Сахар с корицей
Трудно даже представить себе, что еще совсем недавно мы, пожалуй, знали о Вселенной за пределами земной атмосферы гораздо больше, чем о невероятно сложном устройстве земной биологии. Однако теперь, спустя четыреста лет после изобретения телескопа и микроскопа и первых открытий Антони ван Левенгука покров понемногу приподнимается. У нас под носом раскинулся целый мир, еще одно измерение, свернутое и скрытое от праздных глаз, хитроумный мир, кишащий молекулами, мембранами и клетками, из которых состоит жизнь. В этом измерении, странном и чудесном, мы найдем самые яркие свидетельства связи между жизнью и фундаментальными свойствами мироздания.
Наше понимание микрокосма Земли еще очень далеко от совершенства, однако мы уже сумели выявить многие его основные характеристики. Впрочем, и биологический макрокосм мы знаем так же плохо. В данный момент мы считаем, что все живые существа на Земле подразделяются на три домена, три общие схемы, по которым строятся живые организмы: это бактерии, археи и эукариоты. Пока что мы не пришли к согласию по поводу того, куда отнести вирусы и живые ли они вообще, так что пока они ждут своей очереди в сторонке. Эти три формы жизни принципиально различаются архитектурой клеток, а также генетическими кодами.
Коротко говоря, бактерии и археи – это «простые», мелкие одноклеточные организмы. Они способны выживать и по отдельности, однако чаще всего образуют колонии. Их генетический материал не расположен на специальном носителе, а в клетках, как правило, не содержится сложных внутренних структур, так называемых органелл. Клетки эукариотов, напротив, гораздо крупнее и сложнее, содержат органеллы и свой генетический материал заботливо сберегают в виде ядра. Мы еще поговорим гораздо подробнее о том, что эволюционное наследие симбиоза (когда два разных организма, а иногда и больше, живут вместе и дополняют друг друга), очевидно, наградило эукариотов целым рядом дополнительных способностей, в том числе мощными механизмами производства энергии, и научило отличному трюку – многоклеточности. И люди, и все животные, растения и насекомые, и даже скромные грибы – все они эукариоты. Как ни странно, мы, эукариоты, до сих пор не можем обойтись без партнеров-симбионтов из царства простой одноклеточной жизни, в чем мы и убедимся, когда будем исследовать микрофлору человека.
Простейшие формы жизни – у них есть общее название «прокариоты» – самые древние на планете. Бактерия в поперечнике всего несколько микрометров. При этом бактерии могут быть самой разной формы в диапазоне от шаров и трубочек до палочек и спиралей, которые иногда передвигаются при помощи жгутиков, похожих на хлысты. Словом, они весьма разнообразны. У обитателей другого древнего домена – столь же миниатюрных архей – нам впору поучиться крайнему смирению. До конца 1970 годов мы даже не считали их отдельной формой жизни, а полагали, что это всего лишь разновидность шустрых бактерий. Но оказалось, что это не так. У них принципиально иная клеточная структура, и даже жгутики у них устроены совсем иначе, чем у бактерий. Кроме того, они склонны жить за счет «подножного корма» в самых разных средах. Для этого они потребляют простое химическое сырье – и эта черта лишь подтверждает гипотезу, что они необычайно древние и восходят к тем далеким временам, когда питаться было нечем, кроме неорганических веществ.
Легко решить, будто подобные формы жизни столь же примитивны, сколь и древни. Напротив! Каждое крошечное отдельное существо – это невероятный шедевр природной механики. Даже их на первый взгляд простые хвостики-жгутики приводятся в движение хитроумным молекулярным эквивалентом электромотора, который вращается со скоростью сотен оборотов в минуту. Как мы вскоре убедимся, их способности этим далеко не ограничиваются.
Кроме того, архей и бактерий очень много. По нынешним оценкам планета Земля служит домом более чем для миллиона триллионов триллионов (10) одноклеточных организмов. Их генетическое разнообразие просто поразительно – нам известно по меньшей мере десять миллионов различных видов, а скорее всего, их гораздо больше. За последние 30–40 лет мы обнаружили, что многие микробы прекрасно чувствуют себя в условиях, которые мы вынести не могли бы – при очень высокой температуре, давлении, в агрессивных и ядовитых химических средах, а иногда в местах, где экстремальны и температура, и давление, и химическая среда. Подобная выносливость позволяет микроскопической жизни занимать практически любые уголки планеты. Эти организмы не просто далеко опережают все другие формы жизни на Земле по численности и разнообразию, но и составляют подавляющее большинство биомассы на планете.
В основном эти живые существа обитают даже не на поверхности. Скажем, морская вода, особенно верхние слои океанов, полна бактерий. Если мы заглянем глубже, то обнаружим, что на камнях и в осадках на океанском дне обитает, по всей видимости, большинство живых существ на свете – 70 %. По большей части эти существа живут по отдельности, однако ближе к вулканическим грядам, которые рассекают океаны и практически непрерывной цепью длиной в 60 000 километров опоясывают планету, организмы образуют своего рода оазисы бурной жизни. На континентальных массах суши живые организмы обитают и в толще почвы, и во льду, и в микроскопической перепутанице мелких трещин, пронизывающей земную кору. Следы присутствия микробов обнаружены даже в базальтовом вулканическом стекле на склонах действующих вулканов – там микроорганизмы питаются скальными породами и потребляют химическое сырье.
Если бы всего сто лет назад кого-нибудь спросили, какие живые существа составляют на Земле большинство, в ответе, скорее всего, упоминались бы растения или насекомые – и уж точно не бактерии, точно не миллионы триллионов триллионов одноклеточных, которые, как мы теперь знаем, по большей части таятся от нас под поверхностью планеты. Однако эта процветающая и вездесущая популяция – залог нашего существования и ключ к ответу на вопрос о нашем значении в мироздании. Именно бактерии и археи таят в себе разгадку тайны жизни на Земле, именно они создают базу для сбора и хранения энергии и материалов, строительства биологических структур и обеспечения самых что ни на есть поразительных химических трюков и фокусов. В сущности, все отличительные черты нашего мира, все то, что первым делом бросается в глаза, от атмосферы и океанов до химии почвы и скал – бессознательно и блистательно создали все те же обитатели микромира за последние четыре миллиарда лет.
* * *
Чтобы оценить, в какой степени встроена жизнь в организм нашей планеты в целом, нужно несколько пересмотреть свои воззрения. Лично у меня самый серьезный перелом в отношении к природе жизни на Земле произошел в 2008 году – до этого мои представления были до смешного узки. Это произошло, когда я прочитал статью в журнале «Science», которую написали биолог и океанограф Пол Фалковски и морские микробиологи Том Фенчел и Эдвард Делонг. Статья называлась «Микробиологические двигатели, обеспечивающие биохимические циклы Земли» («The Microbial Engines That Drive Earth’s Biogeochemical Cycles») – достаточно прямолинейное и обманчивое название, скрывающее масштабы обсуждаемого вопроса.
Что это за микробиологические двигатели? С механической точки зрения это сложные соединения молекул под названием белки. В старших классах на уроках органической химии мы узнали, что белки, в свою очередь, состоят из цепочек и сложенных конструкций более простых молекул под названием аминокислоты. В биохимии Земли участвуют лишь избранные аминокислоты – их двадцать, и каждая состоит из набора от 10 до 27 атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Вот они, основные кирпичики – детальки конструктора «Лего», из которых строятся клетки, а инструкции, по которым надо собирать этот конструктор, записаны в генетических кодах всех живых существ.
Белки, которые жизнь создает из аминокислот, – рабочие лошадки биохимии. Они могут служить катализаторами и возбуждать химические реакции, а могут составляться в более крупные структуры. Если они складываются в так называемые многобелковые комплексы, то превращаются в полномасштабные молекулярные машины, хитроумные инженерные творения самой природы, выработанные в результате неустанной селекции и эволюции. Это и в самом деле механизмы, на которых основана любая жизнь. У одноклеточных организмов белки составляют до 50 % сухой массы.
Некоторые подобные белковые структуры стяжали себе звание двигателей, поскольку вовлечены в основные функции обмена веществ, производства полезной химической энергии и синтез новых соединений – то есть в те самые процессы, которые поддерживают жизнь во всех организмах.
Это снова возвращает нас к школьному курсу химии: а на каком топливе работают эти двигатели? В конечном итоге все сводится к движению и передаче двух фундаментальных физических частиц – электронов и протонов. Химия жизни поддерживается обменом и перетеканием заряженных частиц в ходе реакций окисления и восстановления.
Иногда эти реакции происходят сами по себе, если нужные молекулы сближаются на достаточное расстояние при достаточной энергии. Например, при нагреве метан способен перегореть в кислород. Все мы наблюдали эту реакцию в кухне, когда готовили на газу, и в школе на лабораторных работах, когда зажигали бунзеновские горелки. В результате атомы углерода и водорода связываются с кислородом и в процессе теряют электроны. В сущности, само слово «окисление» несколько устарело: в ходе таких реакций атомы на самом деле теряют или передают электроны. А передача заряженных частиц означает, что создается поток энергии, к которому можно подключиться, чтобы подпитывать другие процессы.
Однако не все реакции идут настолько спонтанно, зачастую им требуется дополнительный толчок. Такова жизнь: ее молекулярные двигатели пристраиваются к реакциям, катализируют их, часть энергии забирают на свои цели поддержания жизни, причем зачастую запасают эту энергию в других молекулах, которые переправляют ее в другие участки клетки или клеток организма. Именно так поддерживается жизнь на Земле. И молекулярные двигатели на самом деле не просто пристраиваются к химическим реакциям, они физически собирают химическое топливо и создают условия для того, чтобы эти реакции шли: они обеспечивают обмен веществ.
Однако здесь таится колоссальный подвох. Все подобные химические реакции, подобные передачи электронов или протонов, превращают набор ингредиентов в набор продуктов. Так что если бы у Земли был ограниченный запас сырья и реактивов и она предоставляла его в распоряжение живых организмов, со временем запас истощился бы. Но ведь планета не статична. Бурная геофизическая активность – от вулканов до тектонических сдвигов – перерабатывает органические осадки и их химические составляющие и возвращает их на поверхность, а реакции в атмосфере с участием солнечного света постоянно производят свежее сырье.
Сложность в том, что эти процессы относительно медленные: на то, чтобы заново заполнить химическую кладовую, уходят миллионы лет. Жизнь зародилась по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад и сохранилась с тех пор, значит, у нее был еще какой-то источник средств к существованию, пока Земля тащилась себе вперед. И верно. Именно в этом и состояло озарение, которое постигло меня, когда я читал работу Фалковски, Фенчела и Делонга. В их статье объясняется, как молекулярные двигатели жизни в результате эволюции объединились в поразительную взаимосвязанную систему – систему, при помощи которой микроскопические организмы катализируют множество реакций окисления и восстановления во множестве самодостаточных циклов. Иными словами, молекулярные двигатели перезапускают последовательности повторяющихся химических реакций, которые без них шли бы очень медленно или вообще не состоялись бы.
В результате обмена веществ атомы элементов вроде водорода, углерода, азота, кислорода и серы постоянно переходят из одного места в другое, из молекулы в молекулу. Со временем химическая структура земной коры и океанов оказывается глубочайшим образом переработана – и это превращение не было бы возможно в отсутствие жизни. Это и есть биогеохимия. Практически вся среда нашего обитания на Земле – от кислорода, которым мы дышим, до состава почвы у нас под ногами – всего лишь результат уравновешивания всех этих взаимосвязанных, взаимозависимых циклов. Разумеется, мы не отделены от этой системы. Жизнь, подобная нашей, принадлежит к домену эукариотов с большими сложными клетками, которые, очевидно, представляют собой результат различных случаев эндосимбиоза – ассимиляции всевозможной машинерии из более ранних, чисто симбиотических отношений между одноклеточными организмами. Сложноклеточная жизнь практически исключительно полагается на дыхание, для которого ей нужен кислород, и на всевозможные источники энергии, получаемой из углеродосодержащих молекул. А это значит, наши жадные до кислорода организмы играют важную роль в системе обмена веществ в масштабах планеты.
* * *
Эти еще не до конца выявленные самоподдерживающиеся циклы – важнейшая веха на нашем пути не только к пониманию того, как связана любая жизнь с химической и физической тканью Вселенной, но и к попытке найти свое место в более широком контексте. Число обменных процессов, по крайней мере сегодня на Земле, конечно. В принципе, это могли бы быть и другие разновидности химических реакций, однако миллиарды лет эволюции на Земле пришли в конце концов именно к конкретному, нашему набору реакций.
Эти метаболические рецепты можно уподобить различным комбинациям молекулярного «топлива» с молекулярными окислителями, которые «сжигают» это топливо. Лучше всего мы знакомы с метаболическими последовательностями, в которых происходят процессы вроде кислородного дыхания, ферментации, усвоения азота, фотосинтеза с выработкой кислорода и без. Есть и более экзотические – сульфатное, нитратное, нитритное и даже железистое и марганцевое дыхание. На каждом из возможных метаболических вариантов, а иногда на нескольких сразу специализируются свои бактерии и археи. Например, молекулярные двигатели в определенных типах архей могут сочетать углекислый газ (окислитель) с молекулярным водородом (топливо) и вырабатывать метан и воду. Еще они могут разделять молекулы уксусной кислоты и делать из них метан и углекислый газ. Львиная доля метана, доступная нам, людям, и, скажем откровенно, вырабатываемая нами, людьми, и многими другими животными, производится трудолюбивыми крошками-археями. Эта разновидность обменных процессов называется метаногенез.
Главную роль в биосфере Земли играют реакции с усвоением углерода – превращение простых неорганических источников углерода, например, углекислого газа, в органические соединения, – поскольку углеродосодержащие молекулы составляют основу жизни на Земле. В общем и целом мы обнаружили 10 фундаментальных химических процессов, которые, по нашему мнению, отражают метаболический профиль жизни на Земле. Это сумма всех способов, которыми все организмы получают электрическую энергию и сырье. А вот то, как именно эти процессы связываются в единую систему циклов, общих для всех биологических видов на всей планете – настоящее чудо. Например, молекулярные двигатели, при помощи которых некоторые археи производят метан, у других архей и бактерий работают в обратную сторону. Они добывают энергию, разбирая молекулы метана и превращая их обратно в углекислый газ и водород. Кому отходы, а кому и пища.
Точно так же можно обратить и большинство остальных процессов. Если не найдется вида бактерий, который располагает машинерией, позволяющей прямо и непосредственно ликвидировать результат деятельности какого-то другого вида, значит, этот обратный процесс будет выполнен постепенно, в результате цепочки взаимодействий, которая охватывает сразу много разных видов. Организмам-участникам не обязательно даже жить бок о бок в пространстве или времени. Метан, вырабатываемый где-то на планете одним коллективом организмов, найдет себе потребителей совсем в другом месте и в другое время года.
Все это подозрительно похоже на вечный двигатель, где один организм обеспечивает пищей другого, а тот преобразует ее снова, и при этом постоянно выделяется энергия. Это и был бы вечный двигатель, если бы обмен веществ в масштабах планеты представлял собой замкнутую систему, а это не так. В конечном итоге его обеспечивают два источника энергии, которые я уже упомянул. Во-первых, Земля еще не остыла внутри – это последствия бурных времен ее формирования, а также результат того, что в ее состав входят радиоактивные вещества, – и на ее поверхность выходит примерно 30–45 триллионов ватт геотермической и геохимической мощности. Во-вторых, ее поверхность впитывает энергию Солнца – примерно 90 000 ватт. Этот приток энергии вполне покрывает любые потери из-за пробелов во взаимозависимых метаболических циклах в живой природе.
Это очень красивая система, однако ее понимание – лишь первый шаг к ответу на вопрос, как же образовались и развились все эти микробиологические механизмы, а в особенности – как они пережили все тяготы среды обитания на планете в последние 3–4 миллиарда лет. Отчасти вопрос сводится к тому, как именно относительно небольшой набор молекулярных двигателей, в основном – белковых комплексов, оказался закодирован в генетическом материале одноклеточных микроорганизмов.
Результаты геохимических, а также генетических исследований позволяют нам однозначно сказать, что большинство кодов ДНК у этих двигателей восходят к глубокой древности. Некоторые в буквальном смысле оказались запечатлены в камне, поскольку целые экосистемы, которые когда-то влияли на химическое равновесие океанов и атмосферы Земли, оставили по себе слои окаменелых пород. А еще все они прослеживаются в генетических последовательностях современных живых организмов.
Некоторые молекулярные двигатели требуют для кодирования своих структур значительного объема генетической информации. Например, фотосинтез с производством кислорода – самый сложный естественный процесс передачи энергии с участием множества молекулярных соединений – описывается более чем 100 генами. И все же у нас есть свидетельства, что фотосинтез как инструмент обмена веществ существовал как минимум 3 миллиарда лет назад. Очевидно, что подобные хитроумные молекулярные механизмы развились уже на самых ранних этапах истории Земли.
Если мы поймем, каково происхождение всех этих метаболических процессов, то приблизимся к пониманию происхождения жизни как таковой, а пока что это тайна. При этом теорий и гипотез существует множество. Например, некоторые ученые утверждают, что химические и электрические градиенты в клеточных оболочках подозрительно напоминают те, которые наблюдаются при нарушении химического равновесия и в микроскопических минеральных структурах, обнаруженных в глубоководных термальных источниках. А это может указывать на возможность неорганического происхождения жизни – иначе говоря, на то, что жизнь зародилась исключительно по геофизическому и геохимическому образцу.
Подобные предположения о связи между зарождением жизни и небиологическими минеральными структурами и химическими процессами очень интересны, однако явных доказательств мы пока не получили. Есть и другие гипотезы – многоступенчатые химические реакции между органическими веществами, сложные системы реакций аминокислот, вызванные катализаторами вроде бора и молибдена в водяной среде. В результате подобных цепочек реакций могли возникать основные элементы биологии – от липидов до первых рибосом, которые помогают синтезировать белки.
В сущности, земная биология могла произойти и из разных источников, а не из одного. В таком случае нам следует понять, как сошлись воедино биологически полезные молекулярные составляющие из разных источников и как им удалось создать более устойчивую структуру. К счастью, это нам подсказывает сама природа.
Микробы (как, скорее всего, и их предки) печально знамениты так называемым горизонтальным переносом генов: они умеют обмениваться фрагментами генетического материала между видами. Это примерно как обмениваться визитными карточками или проектами каких-нибудь изобретений. В результате выследить, как, где и когда возникают те или иные гены, становится гораздо труднее. Однако подобная неразборчивость приводит к одному важнейшему результату, который, скорее всего, прямо повлиял на зарождение жизни. В итоге такого бесконтрольного распространения генов самые важные гены оказались более или менее повсюду.
Если заплыть на корабле в открытый океан, взять пробу холодной морской воды и привезти к себе в лабораторию, можно, как правило, обнаружить в ней и те разновидности бактерий или архей, которые в норме не очень хорошо себя чувствуют на поверхности моря. Например, среди прочих не слишком уместных организмов там, скорее всего, найдутся так называемые термофилы – организмы, которым для обмена веществ и размножения нужна очень высокая температура. Холодная морская вода может быть сколько угодно неблагоприятна для подобных живых существ – в пробе они все равно будут.
Подобные эквиваленты микроскопической генетической диаспоры вы найдете на Земле практически повсеместно. Представители большинства биологических типов есть везде, даже если те или иные условия им не нравятся. Есть и исключения: недавние исследования показали, что в полярных регионах Земли есть определенные бактерии, которые не встречаются больше нигде ни в каких количествах. Однако при всех оговорках все же можно сказать, что микробиологические популяции распространены в очень большом географическом диапазоне.
И в этом есть смысл. Крошечные организмы легко переносятся по всему земному шару с водой и воздухом, и у них было вдоволь времени, чтобы проникнуть практически в каждый уголок. Однако важно понимать, что мир захватили не просто микробы, а набор генов, где записаны инструкции к молекулярным двигателям обмена веществ. Эта важнейшая группа генетических кодов описывает механизмы, которые, в сущности, сделали мир таким, какой он есть. Фалковски и его соавторы очень удачно назвали это «базовым генетическим набором планеты».
Тот факт, что микробы, которые несут базовый генетический набор планеты, живут повсюду, прекрасно объясняет то, как фундаментальные метаболические процессы сумели остаться неизменными за миллиарды лет. Дело в том, что у них по всей планете хранились резервные копии. Предположим, например, что в Землю врезается шальной астероид диаметром в десять километров с силой, эквивалентной примерно 100 триллионам тонн тринитротолуола. Этакий доморощенный «истребитель динозавров» – примерно как тот, что 65 миллионов лет назад упал на полуостров Юкатан и, вероятно, ускорил их вымирание. Или, скажем, мы заглянем на 570 миллионов лет назад, а может быть, и раньше, и обнаружим, что почти вся Земля покрыта льдом – такие периоды называют «Земля-снежок». При этом погибнет бесчисленное множество живых организмов, навеки исчезнут целые виды. Однако где-то на Земле всегда останутся бактерии или археи, несущие в себе часть базового генетического набора планеты, а значит, и инструкции для механизмов метаболизма. Микроскопические тельца одноклеточных забиваются во все щелочки и дырочки, живут на океанском дне и даже в капельках воды, составляющих облака. Отдельные микробы живут совсем недолго, но это и неважно: миллионы и триллионы одноклеточных хранят в себе гены веками и тысячелетиями. Причем некоторые виды несут по нескольку базовых генов – и не всегда применяют их для своего собственного обмена веществ.
Можно уподобить эту ситуацию – не слишком поэтически – компьютерной сети. В наши дни, когда скачиваешь электронную книгу или музыкальный файл, или даже фотографируешь что-то на камеру мобильного телефона, на руках у тебя чаще всего остается лишь копия. А другая копия либо остается на твоем компьютере, либо загружается через Интернет в какое-то другое устройство для хранения информации. Но мало того – эти «облачные» копии копируются на разные устройства, зачастую на гигантские системы серверов, расположенные на противоположных концах континента. В этом случае данные не пропадут, разве что случится конец света и мир в нынешнем виде перестанет существовать. Даже если какие-то копии пропадут или испортятся в результате отключения электричества или хакерских атак, это не страшно: где-нибудь найдется дубликат.
Можно сказать, что микробы – такие же носители инструкций по метаболизму, распространяющие их по всей Земле и не дающие пропасть с течением времени, как и компьютерные системы, которые бездумно хранят информацию, которую мы туда помещаем. Насколько надежен этот метод хранения, мы точно не знаем. Легко представить себе, что у него могут быть и недостатки, – ведь за последние 3–4 миллиарда лет наверняка случались и сбои. Однако в целом похоже, что чертежи главных механизмов жизни эта система сохраняет целыми и невредимыми.
Стоит также отметить, что базовые гены планеты сами по себе не обязательно совершенны. Метаболические механизмы, которые строятся на основании их кодов, зачастую не так эффективны, как можно ожидать согласно теоретическим химическим моделям. Например, недостатки есть и у тех молекулярных структур, которые обеспечивают фотосинтез с производством кислорода, и у тех, которые отвечают за усвоение азота. Теория показывает, что фотосинтез мог бы идти и эффективнее, а организмы, усваивающие азот, в наши дни вынуждены смягчать риск взаимодействия с реактивным кислородом, создавая избыток механизмов для усвоения белков, чтобы их хватило даже в том случае, если какие-то поломаются. Однако код подобных механизмов оставался, в сущности, неизменным миллиарды лет. Судя по всему, к совершенству никто не стремится: если механизм худо-бедно справляется с задачей, больше от него ничего не требуется.
Значит, каковы бы ни были химические причины зарождения жизни, стоило первым живым механизмам добиться хорошего результата – разработать действенную стратегию, – и они в целом ее закрепили. Это вселяет оптимизм – судя по всему, следы далекого прошлого не стерлись. Кроме того, я думаю, что это позволяет нам сформулировать надежную рабочую гипотезу. Хотя конкретные детали метаболических механизмов жизни, очевидно, могут меняться в зависимости от места и среды, общая архитектура микробиологической системы Земли указывает на универсальную закономерность. Иначе говоря, успех нашего базового генетического набора планеты и его поразительная система хранения и защиты данных, возможно, показывает, как должна вести себя любая другая биосфера на любой другой планете, чтобы сохраниться в течение очень длительного времени. Обитаемая экзопланета, скорее всего, должна обладать своим базовым набором генов, своей системой хранения бесчисленного множества запасных копий.
А это подводит нас к следующему эпизоду нашей истории, к эпизоду, где мы проследим связь жизни на Земле с космическим порядком вещей.
* * *
Вся молекулярная машинерия на Земле при всем ее многообразии состоит из одних и тех же химических кирпичиков – деталек «Лего». Есть, конечно, и небольшие отклонения – например, археи иногда пользуются определенными «зеркальными» молекулами, праворукими вариантами аминокислот, которые у всех других живых существ всегда леворукие. Однако отклонения эти касаются структуры, а не базового химического состава. Пока что все гипотезы о существовании жизни с принципиально иной биохимической основой не подтвердились, и об этом я упомяну в следующей главе.
С точки зрения Вселенной удивляться этому не следует по той простой причине, что химия, лежащая в основе жизни на Земле, примерно та же, что и химия, преобладающая во Вселенной в целом. Чтобы объяснить, в чем тут дело, давайте совершим небольшое путешествие, чтобы познакомиться со своими непосредственными предками – молекулами, создавшими Вселенную в нынешнем виде, а для этого заглянем во времена сразу после Большого Взрыва, 13,8 миллиардов лет назад.
На заре мироздания существовал только водород. И еще гелий, однако когда после Большого Взрыва прошло несколько сотен тысяч лет и пространство юной Вселенной понемногу остывало, самое блестящее будущее было именно у реактивного водорода. В отличие от инертного газа гелия, который почти всегда существует в виде одноатомной молекулы и ни с чем не соединяется, водород обладает огромным потенциалом для формирования молекул, прежде всего с самим собой – H2, а без молекулярного водорода невозможно создание звезд и тяжелых элементов, а следовательно, и всей химии на свете. Ученые почему-то не афишируют тот факт, что астрофизика на самом деле началась с молекулярной химии. Все дело в том, что одиночные атомы водорода, носящиеся в космическом пространстве, располагают ограниченными возможностями для потери энергии движения. Если материя не может остыть, она не способна сформировать плотные структуры вроде пыли или звезд. Даже если атомы водорода налетают друг на дружку, остывать для них – занятие очень неэффективное: это может произойти только в том случае, если они преобразуют энергию в фотоны, которые испускаются в пространство, а таким простым атомам это трудновато. Молекула водорода, которая состоит из двух протонов, связанных взаимным электрическим притяжением к двум электронам – это совсем другая история.
Молекула водорода – это как два мячика, соединенные пружинкой, она может буквально вибрировать и вращаться, что открывает совершенно новый канал для потери тепловой энергии. Сталкивающиеся молекулы конвертируют часть энергии движения в энергию высвобождаемых фотонов. Эти довольно податливые молекулярные пружинки могут успокаиваться быстрее, чем атомы, которые ведут себя как твердые бильярдные шары, поэтому они быстрее остывают.
А значит, стоило Вселенной начать создавать из атомов водорода подобные простые молекулы, температура газа стала падать гораздо быстрее. Холодный газ хуже сопротивляется гравитационному сжатию, поэтому появление молекулярного водорода прямо привело к формированию первого поколения звезд. А в результате запустило и производство всех более тяжелых элементов.
Однако Н2 – не единственный сорт молекул водорода, который производит Вселенная. Если мы выясним, какие виды молекул встречаются в космосе, мы обнаружим, что второе место по численности после простой двухатомной версии молекул водорода занимает трехатомный вариант H3. Это всего-навсего три протона, связанные двумя электронами, а поскольку третьего электрона молекуле не хватает, она в целом заряжена положительно.
Молекула H3++ весьма примечательна. Подобно обычной молекуле водорода, она играет важнейшую роль в остывании газа. Кроме того, она очень реактивна, и этим объясняется большинство так называемых молекулярно-ионных реакций в межзвездном пространстве. Ее спектроскопические среды мы обнаруживаем в самых удивительных местах, например, в атмосфере Юпитера. Вполне можно сказать, что обычная молекула водорода – это вселенская молекула-бабушка, а H3 – молекула-мать.
Если составить список химических реакций, в которых участвует H3++, станет видно, что они очень разнообразны. В результате этих взаимодействий, в частности, получается вода. А еще – синильная кислота, которой у нас есть все основания остерегаться, однако следует помнить, что она же служит ингредиентом для создания различных предшественников биомолекул, в том числе аминокислот. Кроме того, в итоге цепочек реакций, которые запускает H3+, возникают метиловый и этиловый спирты и ацетилен. А когда мы проследим всевозможные варианты развития событий, то обнаружим, что именно H3 лежит у истоков формирования все более и более длинных цепочек молекул на основании углерода – структур, которые приближаются к биологическим молекулам так близко, что становится даже страшно.
Запуск химических реакций позволяет нам сделать далеко идущие выводы по поводу истоков космической химии. Как я уже упоминал, углерод – это атом, сочетание внешних электронов и общих размеров которого позволяет ему создавать поразительно разнообразные молекулярные структуры. А в сотрудничестве с H3++ он, судя по всему, способен на все в пределах термодинамических ограничений, которые налагает холод межзвездного пространства.
И в самом деле, астрономы и астрохимики обнаружили, что Вселенная прямо-таки полна углеродосодержащих молекул. При помощи разных астрономических приемов удалось выявить в космическом пространстве свыше 180 разных видов молекул, и более 70 % из них углеродосодержащие. Ожидается, что этот список – всего лишь верхушка айсберга, поскольку в космосе наверняка есть самые разные более крупные молекулы, однако, чем они больше и сложнее, тем труднее их зарегистрировать, поскольку их спектральные признаки сильно смазаны.
Рис. 12. Схема образования некоторых химических соединений с участием молекулы H3+.
Возможны также реакции, которые приводят к созданию все более и более длинных цепочек атомов углерода и возникновению самых разных молекул (справа).
Еще богаче ассортимент химических соединений в более плотной и бурной среде вокруг формирующихся звезд и планетных систем. Зачастую в таких местах наблюдается огромное количество молекул воды, а также самые разнообразные органические углеродосодержащие соединения, чем дальше, тем больше. Мы видим там молекулы спирта и сахара, а также следы предшественников аминокислот вроде глицина. Все это обретает особый смысл, если взглянуть на происходящее, вооружившись познаниями в химии. Одновременно с наблюдениями ученые разрабатывают и математические модели химических процессов, которые должны происходить в подобных средах, – и мы обнаруживаем, что на практике происходят именно такие реакции, возникают именно такие соединения, какие предсказываются моделями. Фундаментальная химическая теория предсказывает все, что мы видим, – но не только.
Проще говоря, мы живем во Вселенной, где преобладают углеродосодержащие химические соединения, а это коренится в самых что ни на есть основах ядерной физики и объясняется тем, какие компоненты вещества были получены в результате Большого Взрыва. Совсем не трудно сложить два и два – знания о залежах древних химических богатств, которые мы обнаруживаем в кометах и метеоритах, и знания о земной биохимии. Все наши открытия сильно затрудняют разработку каких бы то ни было альтернативных сценариев.
Впрочем, закоренелый скептик скажет, что все это эмпирические данные, поскольку мы не знаем, какие требуются шаги, чтобы перейти от простых углеродосодержащих молекул к живой материи. Однако молекулярные связи позволяют прямо и непосредственно объяснить, что произошло на Земле, и это объяснение прекрасно согласуется с нашими наблюдениями над окружающей Вселенной. Подробности зарождения жизни на нашей планете не так уж и важны: углеродосодержащих молекул во Вселенной так много, что земная биохимия не вызывает ни малейшего удивления. Это не более чем составная часть весьма разнообразной химической сети, пронизывающей все мироздание.
Более того, земные палеонтологические данные указывают на то, что микроскопические живые существа возникли по геологическим меркам очень быстро. Похоже, это произошло сразу после последних крупных событий в формировании планеты. Теперь мы знаем, что химические кирпичики живой материи (сахара, спирты, аминокислоты и более сложные углеродосодержащие структуры) присутствуют и в протопланетных системах. Не исключено, что весь этот материал сыплется на поверхности юных планет, которые представляют собой великолепные инкубаторы для органических соединений. Иными словами, получить первичную смесь, из которой может возникнуть жизнь, проще простого. Этот факт не объясняет всего того, что произошло потом, однако служит очевидной отправной точкой.
Ко всему этому мы еще вернемся, когда будем разбираться, ответы на какие вопросы позволят нам оценить собственное значение в мироздании, однако мне хочется особо подчеркнуть два обстоятельства. Во-первых, геохимический состав Земли постоянно перерабатывается вездесущими циклами взаимосвязанных процессов, которые приводятся в движение триллионами триллионов молекулярных механизмов, составляющих основу микроскопической жизни, а микроскопическая жизнь, в свою очередь, сохраняет «чертежи» этих механизмов с течением времени. Во-вторых, весь этот микрокосм, судя по всему, связан с широким распространением во Вселенной углеродосодержащих молекул и с тем, что корни всех физических и химических структур лежат в водородном газе, возникшем в самом начале существования Вселенной.
Думаю, что относительно подробностей метаболической машинерии у нас на Земле и относительно того, насколько она способна подстраиваться под нужды того или иного вида, остается еще много открытых вопросов. Развитие этой системы объясняется и ресурсами, которые были в ее распоряжении на нашей планете, и средой, которая помогала формировать процессы естественного отбора. В этом отношении эволюция была во многом случайной. Одно мы знаем наверняка: химическая среда на нашей планете в конечном итоге определяется историей формирования Земли из сгустившегося облака, размером нашей звезды, коллизиями при выстраивании планет по орбитам. Все, что мы знаем об экзопланетах, наталкивает нас на мысль, что другие планеты размером с Землю, возможно, необычайно разнообразны с химической и геохимической точки зрения.
А значит, разумно предположить, что метаболические процессы, которые широко распространены здесь, на Земле, на других планетах не всегда возможны. Подобным же образом вполне вероятно, что там идут реакции, которых у нас нет. Хороший пример дает нам изучение Титана, спутника Сатурна. Температура там примерно –180 °C, поверхность покрыта жидкими углеводородами, – словом, такой химии, как на Титане, на Земле нигде не найдешь. Однако существует по крайней мере один довольно-таки очевидный метаболический процесс, который может идти на Титане и способен обеспечить живую материю полезной энергией. Это реакция водорода с ацетиленом. При температурах, при которых мы с вами живем здесь, на Земле, эта реакция – взрыв, производящий метан и много шума. На холодном Титане она невозможна без катализатора, зато в результате тихо и спокойно дала бы много энергии. Ученые уже размышляли о том, чтобы попытаться зарегистрировать эту реакцию и таким образом поискать на Титане признаки жизни. На первый взгляд идея безумная, однако не невероятная.
Отдельные подробности метаболических процессов могут быть разными, однако свидетельств в пользу того, что интегрированная система обмена веществ и геохимических изменений на Земле возникла случайно, очень мало. Напротив, как я уже говорил, судя по всему, это стойкая и надежная модель, которой вполне может руководствоваться любая действующая биосфера. Как же в нее вписываемся мы, люди? Жизнь в том виде, в каком мы ее воплощаем, развилась на основе микрокосма и до сих пор полностью интегрирована с ним: ведь именно от микромира всецело зависит и состояние окружающей среды на планете, и функционирование каждого из нас в отдельности. В какой степени это правда, мы только начинаем понимать, и об этом у нас и пойдет разговор.
* * *
Едва ли не самое революционное и неприятное для многих открытие в современной биологии состоит в том, что мы не индивидуальны в том смысле, в каком привыкли считать. На самом деле каждый из нас не «я», а «мы» – совокупность примерно из 10 триллионов эукариотических человеческих клеток, которые служат вместилищем и опорой для коллектива примерно из 100 триллионов отдельных микроорганизмов. Выводы, которые из этого следуют, поистине головокружительны и стремительно изменяют наши представления о человеческой физиологии и медицине. Добро пожаловать в тайный мир микрофлоры человека!
Большинство из нас не сталкиваются со своим микроскопическим багажом на непосредственном опыте. Мы не отбрасываем, словно шкуру, толстые слои микробов. Однако отчасти причина в том, что мы просто не видим эти организмы – они ведь маленькие, как и все прочие микробы, просочившиеся во все уголки нашей планеты. Клетка бактерии в десять раз меньше в поперечнике, чем наша собственная клетка, и совокупный вес наших микроскопических пассажиров, как полагает, у взрослого человека составляет меньше килограмма. Это около 1 % нашей личной биомассы. Однако это и в самом деле целый микрокосм, неведомый и неожиданный мир, в который впервые заглянул Антони ван Левенгук, когда в 1674 году собрал первый микроскоп, и у научного сообщества ушло еще 300 лет на то, чтобы в полной мере оценить значение этого мира. Каждый из нас, подобно капельке озерной воды под линзой Левенгука, носит в себе свою микроскопическую Вселенную.
Первые настоящие попытки составить перепись этой популяции микробов, живущих «вместе» с человеком, едва начались. Современные инструменты генетического анализа позволяют нам описать практически любую среду, оценив многообразие определенных общих генов – участков ДНК, которые прямо отвечают за ту или иную ключевую биологическую функцию. Это дает нам возможность исследовать не только океанское дно, но и ландшафты собственных плоти и крови, – и получить результаты, над которыми стоит задуматься, поскольку они позволяют нам по-новому взглянуть на наше положение в микрокосме и в космосе.
Рассмотрим, к примеру, кто живет у нас в легких. По нынешним оценкам на каждом квадратном сантиметре затейливой внутренней поверхности дыхательных путей человека живет более 2000 отдельных микроорганизмов, которые принадлежат как минимум к 120 разным видам. Общая площадь внутренней поверхности здоровой пары легких взрослого человека составляет примерно 70 квадратных метров – площадь стандартного теннисного корта. Таким образом, общая численность представителей этих 120 видов в нашем организме приближается к 1,5 миллиардам отдельных особей (и вполне вероятно, что это число на самом деле гораздо больше).
До самого недавнего времени считалось, что наши легкие, по сути дела, стерильны. Когда у людей брали пробы ткани или слизи и пытались вырастить на них бактерии, это ни к чему не приводило. Теперь мы понимаем, что все дело в том, что эти микроскопические обитатели наших легких попросту не размножаются вне привычной среды. Для выживания им нужна именно такая ниша.
От этого вполне может стать немного не по себе – но то ли еще будет! Чтобы оценить происходящее, стоит напомнить себе о генетическом коде человека, об информации, которая содержится в длинных молекулах ДНК, упакованных в ядрах каждой из наших эукариотических клеток. Длиной эта последовательность примерно в 3 миллиарда знаков. Геном человека содержит 20–25 тысяч отдельных генов, которые кодируют белки, и кажется, что это довольно много, пока мы не взглянем еще на одно микроскопическое сообщество – на буйные джунгли, процветающие у нас в пищеварительном тракте.
В 2010 году группа европейских ученых объявила, что произвела генетическую перепись микрофауны человеческого желудка и кишечника. Ученые обнаружили более 1000 отдельных видов организмов, а у них – примерно 3,3 миллиона генов, поразительное количество, примерно в 150 раз превышающее наш человеческий набор. Более того, сосредоточившись менее чем на 10 % всех видов бактерий в микрофлоре кишечника, биологи обнаружили в их генах около 30 000 кодов неизвестных ранее белков. Похоже, эти живые существа, расположившиеся в человеческом организме, располагают удивительно богатым и разнообразным арсеналом биологических механизмов.
И это прекрасно, поскольку чем лучше мы изучим свою микрофлору, тем лучше поймем, в чем можно на нее рассчитывать. Иногда выгода самая прямая. Например, Bacteroides thetaiotaomicron, бактерия, обнаруженная в пищеварительных системах многих животных, способна расщеплять сложные углеводы на гораздо более простые сахара и другие молекулы, которые организм-хозяин может потребить. Наш генетический склад не позволяет вырабатывать ферменты, способные справиться с этими углеводами. Напротив, эта бактерия способна производить просто ошеломляющее количество ферментов – целых 260! Именно она превращает нас в самых настоящих травоядных, которые могут переварить и усвоить все, что нам нужно, из всевозможных фруктов и овощей. А иногда зависимость от микробов не очень заметна, но все равно сильна – они влияют, например, и на то, как у нас включается чувство голода и сытости, и на сложнейшие химические взаимодействия, которые помогают стабилизировать и контролировать фундаментальные реакции нашей иммунной системы. Многие биологи даже предложили считать микрофлору еще одним важным органом человека. А некоторые считают, что отделять наши гены от генов микробов бессмысленно, их следует рассматривать как единое целое. И вполне может оказаться, что в этом есть здравое зерно. Кроме того, у микрофлоры есть еще одно свойство, которое выводит наш разговор на новый уровень: наши одноклеточные спутники обладают ярчайшей индивидуальностью.
Когда ученые исследовали все многообразие видов микробов, которые живут у нас в организме, и подвергли их современным методам генетического анализа, то обнаружилось, что состав микробиологического населения организма у разных людей разный. Причем все еще зависит от того, о какой части тела мы говорим – о кишечнике, легких, руках, ротовой полости или каких-то других укромных уголках.
Например, мы считаем, что по составу микрофлоры кишечника люди делятся на три основных типа или – согласно биологической терминологии – энтеротипа. Похоже, это никак не связано ни с полом, ни с возрастом, ни с ростом и весом; насколько микрофлора зависит от места жительства на Земле, нам пока неясно.
Из этого открытия следует, что каждый из нас помечен невидимым микробиологическим ярлыком, который наверняка что-то говорит о наших личных характеристиках – от того, как мы перевариваем и усваиваем пищу, до биохимии нашего организма в целом. Поскольку наши кишечные бактерии играют столь важную роль – например, вырабатывают ферменты, помогающие синтезировать витамины, – состав конкретной популяции, которую мы в себе носим, должен влиять на самые фундаментальные механизмы выживания и естественного отбора. Если я – носитель микрофлоры определенного типа, вероятно, я буду чувствовать себя в тех или иных условиях лучше или хуже, чем мой друг, принадлежащий к какому-то другому энтеротипу.
Почему мы допустили, что нас колонизировали микробы, вполне понятно – без них мы не смогли бы функционировать, однако мы еще не знаем точно, как именно и в какой момент нашего жизненного цикла это происходит. Похоже, многое закладывается в первые дни жизни при контакте с другими людьми и с окружением. Кроме того, накапливается все больше доказательств, что микробы заселяют нас еще в утробе матери, а в процессе родов и грудного вскармливания мы усваиваем еще больше бактерий от матери и из окружающей среды. Однако что в конечном итоге определяет энтеротип, когда мы становимся взрослыми, и в какой степени он может меняться с течением лет, до сих пор загадка.
Несомненно, чем больше мы будем узнавать о своей внутренней биологической Вселенной, тем больше сюрпризов нас ожидает. Современные ученые подозревают, что даже личностные качества и черты характера, например, дружелюбие и агрессивность, определяются химическим влиянием состава микрофлоры человека: прямо-таки теневая «микробная душа»!
Мы далеко не настолько «индивидуальны», как когда-то думали, и из этого следуют далеко идущие выводы. Это означает, что у нас неожиданно много общего с планетой под нашими ногами. Мало того, что именно микроскопические организмы почти 4 миллиарда лет формировали среду нашего обитания на Земле – наше функционирование и эволюция, оказывается, прямо зависят от базового генетического набора планеты, который заключен и в наших собственных клетках, и в клетках наших пассажиров-бактерий. Похоже, от законов микрокосма нас практически ничего не отделяет.
* * *
Все, что мы знаем о природе жизни на Земле, многое говорит как о нашем значении, так и о значении всей жизни на планете. Мы как отдельный вид организмов-эукариотов представляем собой частный случай жизни во всем ее многообразии, однако это не обязательно придает нам какой-то особый статус в микрокосме. Со многих точек зрения имеет смысл пересмотреть иерархию жизни на Земле – поместить микробов на самый верх, а не внизу. Ведь наши издавна привычные способы классифицировать и каталогизировать биологические виды – всего лишь следствие того, на какой стадии понимания и открытий мы находимся. Современная схема «древа жизни», основанная на генетическом анализе, уже вносит существенные поправки в иерархию.
По биологическим понятиям «главные» организмы на планете, существа, которые и в самом деле определяют конкретную природу и историю жизненного ансамбля, возможно, не самые «сложные». Самые влиятельные члены сообщества жизни – не многоклеточные животные и растения, а организмы, которые в наши дни пользуются этими более громоздкими конструкциями как передвижной одноразовой средой обитания. А это бактерии и археи, которые за миллиарды лет глубочайшим образом переработали химическую и физическую среду на планете.
Возьмем, к примеру, людей. Для бактерий и архей, которым мы служим домом, мы представляем собой удобную в употреблении, гибкую систему. Физиология заставляет нас искать пищу, более того, нас тянет и на ту пищу, которая обеспечивает питательными веществами наших пассажиров-бактерий. К счастью, анатомическая структура и мозг дают нам средства, чтобы добывать пищу. Мы умеем и охотиться, и выращивать растения. Со временем мы сумели наладить глобальные сети производства и транспортировки пищи – своего рода шведский стол – и даже научились хранить ее в особых защитных помещениях, чтобы у нас и у наших пассажиров ни в чем не было нужды.
Кроме того, наш аналитический мозг придумал очень хитрые механизмы для поддержания бесперебойного функционирования не только нас как индивидуумов, но и целых групп и колоний. Мы разработали средства, позволяющие и повысить шансы на выживание в ближайшем будущем, и значительно продлить себе жалкий «срок годности» – это и одежда, и отопление, и жилища, и даже медицина с фармацевтикой. Однако ради чего это на самом деле сделано? Ради наших собственных нужд или ради потребностей наших микроскопических повелителей, дергавших за ниточки естественного отбора?
В качестве забавного мысленного упражнения подумайте о том, как охарактеризовали бы нас какие-нибудь беспристрастные сторонние наблюдатели. Нетрудно представить себе, что весь наш вид сочли бы популяцией биороботов, которой повелевают одноклеточные. Разумеется, весьма сложных и затейливых биороботов. Если хочешь создать передвижное жилище, способное приспосабливаться к обстоятельствам, за это надо платить – придется предоставить ему определенную автономию. Мы и сами создаем сложных роботов, которые выполняют механические задачи – одни и те же, зато с колоссальной точностью. И при этом снабжаем их рудиментарными способностями принимать решения, чтобы они лучше работали и лучше нам служили.
Скажем, современный автомобиль битком набит компьютерными системами и алгоритмами, которые позволяют машине делать «выбор» в сложившейся ситуации, чтобы оптимально расходовать ресурсы и обеспечивать безопасность тех, кто находится в салоне. Марсоходы, которые мы отправили исследовать красную планету, обладают некоторой способностью определять качество пути, по которому они следуют по поверхности планеты. В них встроены механизмы, позволяющие обойти то обстоятельство, что сигнал идет до Земли и обратно не меньше 20 минут, а это непозволительно много, если ты оказался на грани катастрофы. Можно сказать, что подобная инженерная оптимизация напоминает ту, что мы обнаруживаем в собственной биологии.
Из идеи, что люди – всего лишь биороботы для микробов, прямо следуют всевозможные выводы, и это, разумеется, влияет не в последнюю очередь на современную теорию эволюции и на представление о механизмах биологии развития, а к тому же, очевидно, и на наше представление о самих себе как личностях. Это, конечно, просто вопрос, а не серьезная гипотеза, просто альтернативная точка зрения на наше значение на Земле, которое к тому же соответствует более широкой картине планетного микромира и базовых наборов генов. Не будем же мы предполагать, что микроскопические пассажиры, которым выгодно наше существование (как и существование любого многоклеточного вида), активно планируют и направляют наше эволюционное поведение! Нет, такое может сложиться лишь благодаря тесным симбиотическим или эндосимбиотическим отношениям, и тогда любые перемены вызываются обоюдной выгодой.
Однако подобные идеи прямо связаны с нашим главным вопросом о космическом значении и вселенской уникальности. Думаю, что совокупность ограничений, которые налагают на многоклеточные формы жизни химия и биология, и перспектив, которые они же перед ней открывают, отражают еще один закон природы. Вероятно, микробам вообще нужно командовать более крупными организмами. Это еще одна поправка к общему рецепту жизни, который мы с вами расшифровываем. Можно добавить эту оговорку к базовому генетическому набору планеты и к тому, как организуются метаболические процессы из вездесущих углеродосодержащих молекул, которые создаются непосредственно по глубинным законам природы.
Это означает, что хотя наша личная биология и обладает отдельными чертами, которые и в самом деле можно назвать уникальными, то обстоятельство, что сложившийся на Земле базовый набор генов планеты обеспечил возникновение таких существ, как мы, не то чтобы неожиданно – и не будет неожиданным и в любом другом уголке Вселенной. Это очень важное соображение, однако пока что не будем слишком в него верить, поскольку нам предстоит разгадать еще много загадок.
Например, мы – всего лишь капля в океане биохимических соединений, который пропитывает внешние слои и атмосферу Земли. А в нем, в этом царстве всевозможных молекул, есть множество других, еще не до конца понятых областей, в том числе бездна вирусов и сонмища прионов – неправильно сложенных белков, которые, возможно, представляют собой отстойник для биохимических ошибок или запчастей. И все они играют отведенные им роли в биологическом эквиваленте субатомного, то есть квантового, мира (хотя их масштабы и сравнивать нечего). Там постоянно передают, обменивают, вставляют и убирают и целые крупные молекулы, и обрывки генетического кода. Пока что мы не разобрались во всей этой механике, однако она наверняка определяла ход истории нашей планеты.
Итак, есть все основания считать людей просто живыми существами, парящими в этом биологическом космосе. Но значит ли это, что на Земле мы ничего не значим?
* * *
Некоторые подсказки мы уже знаем – они у нас прямо перед носом. Когда речь идет об оценке собственного положения, есть один фактор, который неизбежно учитывается при всех разговорах о вселенской или провинциальной природе жизни. Это вопрос о разуме.
Как бы мы ни обожали своих котиков и собачек, с какой бы симпатией ни смотрели на шимпанзе, слонов и дельфинов, совершенно очевидно, что в целом люди значительно отличаются от животных. Сложность мозга, социальные структуры, которые мы создаем, когнитивные навыки – от речевых до творческих и логических, которые мы постоянно применяем, – все это находится в дальнем конце спектра подобных характеристик в целом по планете. Да, шимпанзе, крысы и даже вороны приближаются к нам по тонкости мышления и разделяют с нами значительную часть генома. А то, какую невероятную социальную структуру строят общественные насекомые вроде муравьев, даже может быть унизительно для нас, как, впрочем, и разнообразие средств связи, которые применяют различные живые существа по всей планете. Однако чтобы все это соединялось в одном организме, в одном существе – такого, пожалуй, больше на Земле не встретишь.
То, что в результате 4 миллиардов лет эволюции на планете у нас не возникло конкурентов, – серьезное препятствие на пути к пониманию нашего значения. Сразу возникает множество самых разнонаправленных вопросов. Например, как поспособствовал бы разум в более широком смысле эволюции на других планетах? Даже здесь, на Земле, скромный, но восхитительный осьминог, член семейства головоногих, обладает совсем не такой нервной системой, как у любого позвоночного вроде нас, однако способен необычайно ловко обращаться с разными предметами и не упускает возможности воспользоваться материалами вроде кокосовой скорлупы примерно так же, как мы – различными орудиями. Может быть, где-то есть планета осьминогов?
Другой вопрос – насколько редко встречается разум именно нашей разновидности. Многие ученые на разных этапах развития науки выдвигали гипотезы, согласно которым мы обязаны своим «возвышением» как биологический вид тому или иному уникальному свойству своего физического или умственного склада. Считалось, что за наше выживание и эволюцию именно нашего разума следует благодарить то ли человеческую руку, то ли языковые способности, то ли всеядность, то ли социальный склад – и этим список не исчерпывается. Однако ни одно из этих качеств не представляет собой неизбежный результат естественного отбора. Не исключено, что достались они нам лишь по воле слепого случая: ведь такой мозг, как у нас, возможно, появился только один раз за почти 4 миллиарда лет эволюции жизни на Земле. Едва ли это свидетельствует о мощной эволюционной стратегии.
Все эти умозрительные заключения подтверждают гипотезу о том, что Земля сама по себе редкость, весьма маловероятный мир, где наше существование стало результатом череды удачных и неудачных совпадений. Может быть, и так. Но, хотя подобная точка зрения, вероятно, и верна, наши представления вполне могут быть искажены, поскольку некоторые статистические обстоятельства провоцируют нас на чудовищно неверные интуитивные догадки, о чем я еще расскажу в следующей главе.
Масла в огонь этих споров подлил информационный бум последних лет по поводу того, что, собственно, делает нас людьми. И палеонтологические открытия, и генетические анализы складываются в фантастически интересную картину того, откуда мы взялись и что представляем собой с точки зрения эволюции. Одни недавно обнаруженные аспекты нашего существования говорят нам, что нам очень повезло, что мы вообще живем на свете, зато другие указывают, что при постоянном изучении новых стратегий выживания путем естественного отбора и эволюции всегда можно открыть новые перспективы, и это отчасти объясняет существование таких, как мы.
К примеру, генетические исследования показывают, что 123 000–195 000 лет назад популяция современных с биологической точки зрения людей резко сократилась – их было более 10 000, а осталось несколько сотен. Что случилось, мы не знаем, но, скорее всего, в этом в какой-то степени виноваты изменения климата. Примерно тогда начался длительный ледниковый период, который, видимо, существенно изменил распространенность растений и животных и границы климатических зон. Многие земли с умеренным доселе климатом пришли в запустение, площадь пригодных для обитания областей, скорее всего, сократилась.
Однако некоторым людям все же удалось выжить – возможно, за счет собирательства в плодородных экваториальных прибрежных районах, где обнаружены следы бесчисленных трапез, состоявших из моллюсков. Все мы, ныне живущие, происходим от этой горстки людей, которые жили где-то в центральной или южной Африке более ста тысяч лет назад. Не нужно обладать развитым воображением, чтобы понять, что тут-то современные люди вполне могли исчезнуть. Достаточно было эпидемии или дальнейшего ухудшения климата – и эти несколько сот особей вымерли бы. Наш вид спасся сразу после возникновения по чистой случайности, однако очень может быть, что избежать вымирания нам помог и разум.
Этот период пережили не только мы. Одновременно с современными людьми по Земле ходил по крайней мере еще один вид двуногих, способных создавать орудия труда. По нашим представлениям, примерно 600 000 лет назад вид, который мы теперь называем неандертальцами, мигрировал из Африки в Европу. В целом неандертальцы были очень похожи на нас, однако имелись и существенные различия. Это была другая разновидность прямоходящих родственников обезьян, и мы считаем, что они развились из более раннего вида – мы с ними произошли от общего предка. Неандертальцы были отнюдь не глупы, они изготавливали орудия из камня и кости и создавали общественные структуры.
Однако примерно 28 000 лет назад неандертальцы постепенно вымерли. В чем было дело, мы не знаем. Определенную роль в этом, возможно, сыграли дальнейшие изменения климата, а может быть, и конкуренция с современными людьми. Однако стоит отметить, что отчасти неандертальцы остались с нами: генетический код жителей Евразии совпадает с кодом неандертальцев, и это совпадение составляет от одного до четырех процентов. Нам это известно, поскольку мы сумели расшифровать крупные фрагменты генетической последовательности из останков неандертальцев – удивительная и немного жутковатая детективная работа. А значит, когда-то, спустя некоторое время после того, как почти вымершая популяция современных людей сумела переселиться на север планеты и там процветать, имело место скрещивание с неандертальцами. После чего мы выжили, а они нет.
В дополнение к подобным исследованиям, из которых становятся ясны подробности нашей зачастую бурной истории, был сделан и целый ряд открытий, касавшихся фундаментальных молекулярных механизмов, благодаря которым мы выделились в отдельный вид.
Все это опять же возвращает нас к вопросу о собственном значении, так как здесь заключены прямые указания на то, чем же наш разум так примечателен. С генетической точки зрения современные люди отличаются от шимпанзе всего лишь примерно на 1,2 %, а пока мы искали разницу, то обнаружили, какие конкретные функции закодированы в этих генах – то есть какие функции можно считать исключительно человеческими. Некоторые участки ДНК, которые у людей и шимпанзе особенно сильно различаются, и в самом деле прямо связаны именно с теми чертами, которые отличают нас от прочих живых существ.
Например, последовательность под названием HAR1 (От слов «human accelerated region» – «зона ускоренного развития у человека»), вероятно, связана с развитием коры головного мозга. А другая последовательность – HAR2 – участвует в развитии эмбриона человека и в формировании наших запястий и больших пальцев на руках, которые, в сущности, и обеспечивают нам возможность манипулировать с материалами и пользоваться орудиями труда. Последовательность под названием LCT связана со способностью переваривать лактозу, то есть питаться молочными продуктами, у взрослых. Интересно, что по данным исследований эта последовательность по эволюционным меркам появилась у нас совсем недавно – и в самом деле, ею обладает лишь треть населения Земли (но 80 % людей европейского происхождения). Многие современные виды млекопитающих в раннем детстве могут переваривать молочный сахар, однако утрачивают эту способность, когда становятся взрослыми. Примерно 9000 лет назад для какой-то группы людей все изменилось, поскольку появилась версия последовательности LCT, которая и до сих пор вырабатывает у взрослых необходимые пищеварительные ферменты. С тех пор содержание домашних животных стало гораздо выгоднее.
Есть и другие важные последовательности, связанные с приспособляемостью человека. Скажем, AMY1 – она участвует в производстве фермента, который позволяет нам переваривать крахмал лучше многих других видов. ASPM – последовательность, определяющая размеры человеческого мозга. А самая, пожалуй, обескураживающая последовательность – это FOXP2, которая, по мнению исследователей, помогает нашим лицам и ртам двигаться так, чтобы издавать всевозможные звуки речи с нужной интонацией. Похожие последовательности есть и у большинства других млекопитающих, однако человеческая версия сильно отличается, скажем, от версии у шимпанзе. А без речи наши поразительные общественные структуры и способность передавать сведения и делиться опытом были бы, конечно, совсем иными. Этот участок ДНК длиной в каких-нибудь 2285 оснований нуклеиновых кислот, вероятно, и сделал нас людьми.
Генетические различия между нами и нашими ближайшими родственниками – шимпанзе – не всегда нас радуют. В наших генах сохранились свидетельства о древних битвах с ретровирусами – структурами, которые для воспроизведения внедряют свой генетический материал в ДНК хозяина. В некоторых случаях мы выходили из этих битв с новым кодом, который позволяет нам сопротивляться этим коварным возбудителям болезней гораздо лучше, чем другие приматы. Однако те же самые гены в наши дни делают нас более беззащитными, чем наши родичи-обезьяны, перед другими ретровирусами, например, ВИЧ. Наша генетическая история, как и битвы за жизнь, разыгравшиеся более ста тысяч лет назад, не обошлась без опасностей и без игры случая.
Мы продолжаем разбираться в деталях молекулярной машинерии, которая определяет, как мы функционируем, однако пока не можем связать свои открытия с ответом на главную загадку – как мы появились. Очевидно, что выработке действенной стратегии выживания очень поспособствовал разум. Но наша бурная история преодоления барьеров естественного отбора этим не исчерпывается. Сыграло свою роль и многое другое – способность переваривать определенную пищу, брать предметы, приспосабливаться к определенному диапазону температур и влажности, а также внешние движущие силы – климат и успехи и неудачи других биологических видов.
Но при всей нашей уникальности история вида homo sapiens во многом повторяет историю любого другого вида многоклеточных живых существ на нашей планете. У каждого свои особые гены, свои эволюционные сдвиги, как удачные, так и неудачные. За все это отвечает биохимическая инженерия. Это словно система из встроенных друг в друга механизмов – вплоть до фундаментальной структуры атомов, и до квантового субатомного мира. Эволюция, этот великий экспериментатор, представляет выбор из миллиардов вариантов – колоссальную сеть различий и взаимодействий. Узор этой сети, внедренный в наш ядерный набор генов, имеет скорее универсальное, чем местное значение. И может быть, разумная многоклеточная жизнь с большей вероятностью могла возникнуть именно на основе подобных сетей при условии, что эволюция предоставляла ей необходимые возможности и варианты.
Итак, можно ли сказать, что наша разновидность разума единственная в своем роде, незаурядна, крайне маловероятна? С нашей нынешней точки зрения, судя по всему, так и есть. Однако это не только противоречит самой сути коперникова мировоззрения – ведь получается, что с космической точки зрения мы очень даже примечательны, – но к тому же такую гипотезу на сегодня невозможно проверить. Мы сумеем это сделать не раньше, чем придумаем, как оценить вероятность развития разума на нашей планете в тех случаях, если бы это развитие пошло по другим возможным ветвям древа жизни, а главное, поймем, могли ли произойти подобные судьбоносные события где-нибудь еще, кроме нашей Земли. Так биологическая Вселенная сталкивает нас лицом к лицу с величайшей загадкой на всем пути к пониманию своего места в мироздании.
Одни ли мы во Вселенной?
