Рассказ Ризобии

Книга: Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни

Колесо – самое знаменитое изобретение человека. Разберите любой хоть сколько-нибудь сложный механизм, и вы найдете колесо. Двигатели судов и самолетов, дрели, токарные станки, гончарные круги: наша техника не смогла бы существовать без колеса. Оно было изобретено предположительно в IV тысячелетии до н. э. в Месопотамии. А вот цивилизации Нового Света ко времени испанского завоевания колесом так и не обзавелись. Говорят, правда, что было исключение – детские игрушки, – но мне не очень верится. Вероятно, это один из тех мифов, которые расходятся потому, что их легко запомнить – вроде мифа о том, что в языке инуитов полсотни слов для обозначения снега.

Эубактерии. Неукорененное древо (см. “Рассказ Гиббона”), на котором крестиками обозначены два возможных места укоренения. Конец каждой ветви соответствует современности. Традиционно эубактерий считают сестринской группой по отношению ко всем остальным живым существам – а это соответствует укоренению древа через сопредка № 39 (A). Однако в отсутствие внешних групп сложно найти сколько-нибудь надежные доказательства этому. Другой вариант – поместить корень среди эубактерий (например Б) – это автоматически увеличит число рандеву. В пределах группы эубактерий филогенетические отношения остаются спорными. Представленные здесь группы являются общепризнанными, однако их родственные связи не установлены. Особенно это касается цианобактерий.

Нарис. (сверху по часовой стрелке): Escherkhia coli, Chlamydia, Leptospira interrogates, хлоропласт растения, Thermus aquaticus, Staphylococcus aureus.

Почти всякий раз, когда у людей появляется хорошая идея, зоологи обнаруживают, что ее уже применяют животные. В этой книге много примеров: эхолокация (летучие мыши), электролокация (см. “Рассказ Утконоса”), плотина (см. “Рассказ Бобра”), рефлектор радиолокационной антенны (морские блюдца), датчик теплового излучения (некоторые змеи), шприц для подкожных инъекций (осы, змеи и скорпионы), гарпун (стрекающие) и реактивный двигатель (кальмары). Почему же не колесо?

Возможно, колесо впечатляет нас лишь в сравнении с нашими довольно неуклюжими ногами. Прежде чем мы изобрели двигатель, работающий на топливе (ископаемой солнечной энергии), нас легко обгоняли многие животные. И неудивительно, что Ричард III, оставшись без коня, предлагал полцарства за нового. Думаю, большинству животных колеса не нужны: они быстро бегают и без них. Кстати, до недавнего времени все колесные транспортные средства передвигались за счет живой тягловой силы. Мы придумали колесо не чтобы двигаться быстрее лошади, а чтобы от нее не отставать (или отставать совсем немного: все-таки повозка заставляет лошадь идти медленнее).

Не нужно переоценивать значение колеса. Его эффективность определяется дорогой. Мощный автомобильный двигатель позволяет нам обогнать лошадь, собаку или гепарда на ровной дороге. Но попробуйте устроить гонку по дикой местности или вспаханным полям, возможно, с изгородями или канавами – и лошадь оставит автомобиль далеко позади.

В таком случае, возможно, стоит задать вопрос иначе. Почему животные не придумали дорогу? Технически это несложно: по сравнению с плотиной бобра или шалашом беседковой птицы это ерунда. Известны даже роющие осы, которые утрамбовывают почву камешками. Почему бы другим не делать то же самое?

С технической точки зрения дорожное строительство вполне осуществимо. Но это прискорбно альтруистичное занятие. Если я проложу дорогу из А в Б, вы сможете извлечь из нее такую же пользу, как и я. А естественный отбор основан на эгоизме. Постройка дороги, которая может пригодится другим, будет “оштрафована” естественным отбором: мой конкурент получит от дороги выгоду, но не потратит, как я, силы на строительство. А сэкономленные силы этот дармоед сможет потратить на размножение, занявшись им в то время, пока я надрываюсь. Если не принять меры, ленивые и эгоистичные эксплуататоры будут процветать за счет трудолюбивых строителей. В результате дороги вообще не будут построены, потому что, как легко предсказать, все останутся внакладе. Но естественный отбор, в отличие от нас, не умеет предсказывать.

Что же позволило нам преодолеть антисоциальные инстинкты и начать строить дороги? Ни один другой вид так близко не подошел к “государству всеобщего благоденствия” – к общественной системе, которая заботится о стариках, больных и сиротах и занимается другими видами благотворительности. На первый взгляд, такое устройство противоречит принципам естественного отбора, но мы не будем вдаваться в подробности. У нас есть правительства, полиция, налоги и общественные обязанности, которые мы выполняем, нравится ли нам это или нет. Человека, заявившего: “Сэр, вы очень любезны, но я не поддерживаю вашу схему подоходного налога”, вряд ли бы радушно приняли в налоговом управлении. К сожалению, человек – единственный вид, придумавший налоги. Однако некоторые другие животные придумали другой способ ограничений: особь может обеспечить себе монополию на пользование ресурсом, если будет защищать его от конкурентов.

Многие виды животных являются территориальными: не только птицы и млекопитающие, но также рыбы и насекомые. Они защищают от конкурентов того же вида свои участки: место кормежки, участок для ухаживания, район гнездования. По идее, животное с обширной территорией могло бы извлечь пользу из постройки сети дорог на территории, куда не допускаются конкуренты. Это вполне возможно, однако дороги получились бы слишком короткими. Длина дорог была бы ограничена размером участка, который особь может защитить от конкурентов. Не самое благоприятное начало для эволюции колеса!

Но вот мы наконец добрались до рассказчика. Есть крошечные организмы, которые изобрели колесо. Возможно, это колесо было также первым в истории аппаратом движения– учитывая, что первые два миллиарда лет жизнь на планете была представлена исключительно бактериями. Многие бактерии, в том числе ризобия (Rhizobium), плавают при помощи нитевидных спиралевидных винтов, каждый из которых приводится в движение непрерывно вращающимся валом. Раньше считалось, что эти “жгутики” виляют, как собачьи хвосты, а видимость спирального вращения объясняли волной возмущения, которая передается вдоль жгутика – по примеру змеи. Но правда оказалась гораздо интереснее. Жгутик бактерии присоединен к валу, который свободно вращается в отверстии, проходящем через стенку клетки. То есть это настоящая ось со свободно вращающейся втулкой. Она приводится в движение молекулярным моторчиком, который работает по тем же биофизическим принципам, что и мышца. Однако мышца – это двигатель возвратно-поступательного действия, который после сокращения должен растянуться, чтобы совершить новое усилие. А бактериальный “двигатель” постоянно в движении, как турбина.

Настоящая ось с втулкой приводится в движение молекулярным «двигателем».

Тот факт, что колесо изобрели самые крошечные существа, указывает на вероятную причину, по которой этого не сделали крупные организмы: крупному животному нужны крупные колеса. Животные не могут собрать колеса: их пришлось бы выращивать. А для обеспечения работы такого большого органа потребовалась бы кровь или некий ее аналог – и, вероятно, что-то вроде нервов. Думаю, не нужно объяснять, насколько сложно обеспечить свободно вращающийся орган кровеносными сосудами (не говоря уже о нервах), которые не завязывались бы в узлы. Возможно, решение проблемы существует. Но нечего удивляться тому, что оно не найдено.

Инженеры, наверное, предложили бы использовать концентрические сосуды, которые поставляли бы кровь через середину оси в середину колеса. Но как выглядели бы промежуточные звенья? Ведь эволюционное усовершенствование напоминает восхождение на гору. Инженерная мысль может позволить себе скачки, однако в эволюции вершины можно достигнуть лишь путем восхождения. Случай колеса – один из тех, когда техническое решение лежит на поверхности, но для эволюции недостижимо. Поэтому оно не появилось у крупных животных, но оказалось доступным бактериям.

Филип Пулман в трилогии “Темные начала” решает проблему крупных животных весьма оригинальным и “биологичным” способом. Он придумал добродушных хоботных мулефа, живущих в симбиозе с гигантским деревом. Это дерево образует твердые, круглые, похожие на колесо стручки. На ногах мулефа гладкая роговая шпора, точно соответствующая отверстию в середине стручка. И, надевая на эти шпоры стручки, животные пользуются ими как колесами. Деревья тоже извлекают пользу от сотрудничества: когда “колесо” изнашивается, семена рассыпаются. В отверстие для оси мулефа стручки выделяют высококачественное смазочное вещество. Четыре ноги мулефа расположены так: передняя и задняя нога на средней линии тела (на них надеваются колеса), а две оставшихся ноги, посередине тела, расставлены в стороны. Ими животное отталкивается от земли, как при езде на старинном велосипеде без педалей. Пулман отмечает, что такая система возможна лишь благодаря геологическим особенностям придуманного мира: выходы базальта на поверхность там образуют длинные “дороги” в саванне.

В нашем мире таких хитроумных изобретений, к сожалению, нет. Поэтому придется признать колесо одним из органов, которые сами по себе хороши, но не могут появиться у крупных животных. Причиной тому может быть как потребность в существовании дорог или проблема перекручивания кровеносных сосудов, так и невозможность создать жизнеспособные промежуточные звенья. Бактерии смогли завести колесо потому, что микромир кардинально отличается от макромира: в нем организмы сталкиваются с другими техническими задачами.

Между прочим, моторчик в жгутиках бактерий принят на вооружение креационистами, именующими себя “теоретиками разумного замысла”. Они видят в нем иллюстрацию невозможности эволюции. Я объясняю невозможностью эволюции отсутствие колеса у крупных животных, например млекопитающих. Креационисты рассуждают иначе: колеса у бактерий быть не может, однако оно есть (и это трудно отрицать). А значит, оно появилось сверхъестественным способом!

Это давний “довод к проекту” (довод Пейли, довод к неупрощаемой сложности). Подобные доводы я называю “доводами к личному неверию”. Смысл сводится к следующему: “Я не могу себе представить естественную последовательность событий, при которой мог появиться признак икс. Следовательно, икс появился сверхъестественным способом”. Если вы прибегаете к этому доводу, это говорит лишь о скудости вашего воображения и совершенно не отражает сути вещей. Ведь если мы принимаем “довод к личному неверию”, мы должны ссылаться на сверхъестественное всякий раз, когда видим фокусника, трюки которого мы не можем объяснить.

Что касается довода к неупрощаемой сложности, он вполне годится в качестве объяснения отсутствия чего-то, чего не существует: это я и сделал в отношении колес у млекопитающих. Однако это не то же самое, что уклонение ученого от прямой обязанности объяснить существование того, что существует – например колеса у бактерий. Впрочем, справедливости ради скажу, что в каком-то варианте “довод к проекту” или к неупрощаемой сложности может пригодиться. Космические пришельцы, которые когда-нибудь прилетят на нашу планету и устроят археологические раскопки, сумеют отличить сконструированные человеком механизмы, например микрофоны и самолеты, от механизмов, развившихся естественным путем, например крыльев летучей мыши и ушей. Как? Они столкнутся с некоторыми сложными для понимания примерами совпадения результатов эволюции и инженерной мысли. Если эти ученые получат возможность взглянуть не только на археологические памятники, но и на земных существ, что они подумают о хрупких, легковозбудимых скаковых лошадях, или о грейхаундах, или о бульдогах, которые едва дышат и появляются на свет не иначе, как с помощью кесаревого сечения? Что они подумают о близоруких пекинесах, о фризских коровах, которые представляют собой ходячее вымя, о ландрасских свиньях – ходячих кусках ветчины – или об овцахмериносах – ходячих свитерах? Не говоря уже о нанотехнологиях, которые человеку удаются не хуже, чем бактериям.

Фрэнсис Крик в книге “Жизнь как она есть” отчасти в шутку обсуждает возможность того, что бактерии зародились не на нашей планете. В его книге бактерии попадают на Землю на ракете, посланной инопланетянами. Эти инопланетяне желают распространить во Вселенной свою форму жизни, но не хотят связываться с трудностями транспортировки своих тел – и надеются на эволюцию, которая сделает за них работу после того, как бактериальная “инфекция” приживется на новом месте. Крик и его коллега Лесли Оргел, с которым они это придумали, подразумевали, что вначале бактерии естественным образом эволюционировали на своей планете. Но они вполне могли бы, в духе научной фантастики, добавить немного нанотехнологий вроде молекулярного колеса. Или жгутикового “двигателя”, который мы видим у ризобии и многих других бактерий.

Крик – то ли с сожалением, то ли с облегчением – признает, что его теория направленной панспермии почти ни на чем не основана. Но такая область, находящаяся на границе науки и научной фантастики, представляет собой замечательный “тренажерный зал” для ума. Ведь если иллюзия замысла, которую вызывает в нашем воображении идея естественного отбора, так сильна, возникает вопрос: как мы на практике должны отличать плоды эволюции от спроектированных человеком предметов? Другой молекулярный биолог, Жак Моно, в книге “Случайность и необходимость” задавался вопросом, существуют ли в природе подлинные примеры неупрощаемой сложности: сложные структуры, собранные из частей, каждая из которых необходима для целого? И если да, не указывает ли это на существование некоего высшего разума – например, более древней и развитой, чем наша, инопланетной цивилизации?

Возможно, когда-нибудь мы обнаружим подобный пример. Однако жгутиковый “двигатель” на эту роль не подходит. Как и в случае многих других примеров якобы неупрощаемой сложности (глаз и так далее), бактериальный жгутик оказался упрощаемым. Кеннет Миллер из Брауновского университета опроверг утверждение, будто составные части жгутикового “двигателя” не имеют других функций. Например, он указывает, что у многих паразитических бактерий есть механизм для введения химических веществ в клетку хозяина – секреторная система III типа. Она использует набор белков, которые представлены в жгутиковом “двигателе”, но в секреторной системе III типа они используются не для обеспечения вращательных движений, а для создания отверстия в клеточной стенке хозяина. Миллер заключает:

Секреторная система III типа делает свое подлое дело, используя несколько белков из основания жгутика. С эволюционной точки зрения такая взаимосвязь ничуть не удивительна. В сущности, вполне логично, что эволюционные процессы с их оппортунизмом будут смешивать и подбирать белки для выполнения новых функций. Однако идея неупрощаемой сложности говорит о том, что это невозможно. Если жгутик на самом деле неупрощаем, то удаление всего одной его части, не говоря уже о десяти или пятнадцати, должно превратить остальные в “нефункциональные по определению”. И все же секреторная система III типа вполне функциональна, хотя в ней отсутствует большая часть компонентов жгутика. Для нас секреторная система III типа представляет мало приятного, но для бактерий, у которых она есть, это по-настоящему ценный биохимический механизм.

Наличие секреторной системы III типа у широкого спектра бактерий указывает на то, что отдельные части “неупрощаемо сложного” жгутика вполне могут выполнять важную биологическую функцию. А поскольку естественный отбор явно благоприятствует этой функции, утверждение о том, что части жгутика функциональны лишь в составе целого, неверно. А это значит, что довод к пользе спроектированного жгутика не имеет смысла.

Негодование Миллера по поводу теории “разумного замысла” подпитывается из неожиданного источника: его глубоких религиозных убеждений, которые полнее отражены в его книге “В поисках бога Дарвина”. Бог Миллера (а может, и самого Дарвина) – это бог, существование которого проявляется в базовых законах природы (точнее, он им тождественен). По мнению Миллера, попытки креационистов доказать существование бога с помощью малопривлекательных “доводов к личному неверию” дают обратный эффект: складывается впечатление, что бог своенравно нарушает свои же законы. А для тех, кто, подобно Миллеру, обладает глубоко продуманными религиозными взглядами, это подлое и унизительное богохульство.

Я, человек нерелигиозный, с удовольствием подкреплю аргумент Миллера собственным. На мой взгляд, идея разумного замысла если не богохульна, то несет печать умственной лености. Представьте разговор сэра Эндрю Хаксли и сэра Алана Ходжкина. Оба в свое время были президентами Королевского общества и получили Нобелевскую премию (одну на двоих) за модель молекулярной биофизики нервного импульса.

– Говорю вам, Хаксли, это сложнейшая проблема. Я не понимаю, что такое нервный импульс, а вы?

– Да, Ходжкин, и я не понимаю. А дифференциальные уравнения для этих импульсов – вообще кошмар. Почему бы не бросить это и не просто сказать, что нервный импульс передается посредством нервной энергии?

– Отличная идея, Хаксли! Давайте черкнем письмо в “Нейчур” (всего-то одна строчка), а потом займемся чем-нибудь полегче.

Старший брат Эндрю Хаксли, Джулиан, сходным образом высмеивал витализм Анри Бергсона: писал, что объяснять жизнь идеей elan vital [фр. жизненный порыв] Бергсона – все равно что утверждать: поезд движется благодяря еіапокомотиву. Однако гипотеза направленной панспермии не страдает пороком умственной лености (Миллер бы сказал о богохульстве). Ведь Крик говорил о сверхчеловеческом, а не сверхъестественном замысле: разница существенная. По Крику, сверхчеловеческие разработчики бактерий и способов заселения Земли этими бактериями сами эволюционировали в ходе некоего аналога земного естественного отбора. Важно понимать, что Крик всегда пытается отыскать то, что Дэниел Деннет называет “подъемным краном”, и никогда не довольствуется, как Бергсон, “крюком” с небес.

Основной способ опровержения аргумента неупрощаемой сложности заключается в демонстрации того, что некая якобы неупрощяемая сложная сущность – жгутиковый “двигатель”, каскад реакций свертывания крови, цикл Кребса, что угодно еще – на самом деле является упрощаемой. Во всех этих случаях нужно просто доказать, что субъективное неверие было ошибочным. Кроме того, не нужно забывать: если мы не можем детально описать путь, которым могла эволюционировать сложность, это еще не повод говорить, что такая сложность сверхъестественна. Потому что это либо богохульство, либо обычная умственная леность – кому как нравится.

Но есть и другое опровержение: гипотеза “арки и строительных лесов” Грэма Кернс-Смита. Правда, он применял эту гипотезу в другом контексте, но здесь его доводы тоже уместны. Арка неупрощаема в том смысле, что, если удалить ее часть, все развалится. Однако ее можно построить постепенно с помощью строительных лесов. Если впоследствии мы уберем леса, это не даст нам права наделять каменщиков сверхъестественными способностями.

Жгутиковый “двигатель” обычен для бактерий. Ризобии (Rhizobium) выбраны на роль рассказчика лишь затем, чтобы продемонстрировать удивительное многообразие бактерий. Фермеры выращивают бобовые (Leguminosae) по одной простой причине: они могут поглощать азот (самый распространенный газ в атмосфере) из воздуха, а не в виде соединений азота в почве. Но связыванием атмосферного азота и преобразованием его в доступные соединения занимаются не сами бобовые. Это делают симбиотические бактерии, в частности ризобии. Эти бактерии живут в узелках, находящихся на корнях растений и явно предназначенных для них.

Такой “контракт” с бактериями на оказание биохимических услуг – чрезвычайно распространенное явление среди животных и растений.

Назад: Рандеву № 39 Эубактерии

Дальше: Рассказ Taq