Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции
Шрифт:
Помимо этих формальных критериев, я исходил из того, что каждое из великих изобретений должно удивлять меня лично. Это должны быть такие изобретения, в которых мне, увлеченному исследователю, особенно хотелось бы разобраться. О некоторых я уже писал и хотел бы обсудить их в более широком контексте, а другие, как ДНК, неодолимо притягивают к себе внимание пытливых умов. Распутывание головоломок, заключенных в недрах структуры ДНК, составило один из великих детективных сюжетов в науке за последние полвека, хотя подробности этой истории ученым по-прежнему почему-то малоизвестны. Надеюсь, мне удалось передать хоть толику восторга, в который меня самого приводило участие в этих поисках. Аналогичный пример касается теплокровности, по поводу которой ученые ожесточенно спорят. В частности, среди них по-прежнему нет единого мнения о том, были ли динозавры подвижными теплокровными убийцами или же огромными неповоротливыми ящерами, а также о том, произошли ли теплокровные птицы непосредственно от близких родственников тираннозавров — или же не имели с динозаврами ничего общего. Я не мог не воспользоваться
Вот наш список и готов. Начнем с происхождения самой жизни, а закончим смертью и возможностью бессмертия, миновав в пути такие вехи, как ДНК, фотосинтез, сложные клетки, секс, движение, зрение, теплокровность и сознание.
Но прежде чем мы начнем, я должен сказать несколько слов о лейтмотиве этого введения — о новых «языках», которые позволили совершить все описанные в книге открытия, касающиеся давних событий эволюционной истории. До недавнего времени у нас было два широких окна в прошлое: палеонтология и генетика. Возможности обеих этих наук, позволяющие нам вызывать события прошлого из небытия, огромны, но у методов каждой есть недостатки. Предполагаемые «пробелы» в палеонтологической летописи поминают чаще, чем следовало бы, особенно учитывая, что за полтора века, прошедших с тех пор, как Дарвин озаботился этой проблемой, многие «пробелы» были старательно восполнены. Беда в том, что палеонтологические находки в силу самих условий, способствующих их захоронению, никак не могут отражать прошлое без искажений. Даже удивительно, как много мы, тем не менее, можем благодаря им узнать. В свою очередь, сравнение различных участков генетических последовательностей позволяет нам строить генеалогические деревья, точно отображающие наше родство с другими организмами. К сожалению, в ходе эволюции гены рано или поздно могут видоизменяться так, что между копиями одного и того же древнего гена не остается ничего общего. Поэтому дальше определенного срока давности картины прошедшего, которые мы можем вычитать из генов, оказываются искажены. Но в нашем распоряжении, помимо генетических и палеонтологических, есть и другие эффективные методы, воссоздающие события глубочайшей древности. Одна из задач этой книги состоит в том, чтобы воздать этим методам должное.
Приведу всего один пример, один из моих любимых, упомянуть который в этой книге пока не представился случай. Речь о ферменте (белке, катализирующем определенную химическую реакцию) цитратсинтазы, который играет столь важную роль, что имеется у всех живых организмов, от бактерий до человека. Исследователи сравнили разновидности этого фермента, свойственные двум видам бактерий: один из них живет в необычайно горячих подводных гидротермальных источниках, второй — среди льдов Антарктики. Генетические последовательности, кодирующие эти две разновидности фермента, неодинаковы: в ходе эволюции они разошлись настолько, что теперь существенно отличаются друг от друга. Мы точно знаем, что эти два вида бактерий произошли от общего предка, потому что известен целый ряд промежуточных форм, живущих не в экстремальных условиях. Но по одним лишь генетическим последовательностям мы мало о чем можем судить. Расхождение видов явно связано с несходством условий их существования, но это лишь теоретические знания, сухие и поверхностные.
Но давайте обратимся к молекулярной структуре этих двух разновидностей фермента, просветив их мощными рентгеновскими лучами и расшифровав, используя замечательные достижения кристаллографии. Устройство молекул обоих ферментов почти одинаково: всякой детали одного — складке или щели, углублению или выросту — соответствует точно такая же деталь другого, совпадающая с ней во всех трех измерениях. На неискушенный взгляд, между этими молекулами вовсе нет разницы. Иными словами, несмотря на то, что в этих ферментах в ходе долгой эволюции заменялись многие «строительные блоки», общая форма и строение молекул, а также их функции оставались неизменными, как если бы это был собор, который построили из камня, а затем перестроили изнутри, заменяя камни кирпичами, но сохранив все особенности его величественной архитектуры. За этим откровением следует еще одно. Какие именно «блоки» были заменены и почему? У бактерий, живущих в горячем источнике, фермент имеет предельно жесткую структуру. Его «строительные блоки» крепко сцеплены друг с другом внутренними связями, играющими роль цемента, поддерживающего неизменную структуру молекулы, несмотря на непрерывно расшатывающее ее тепловое воздействие окружающей среды. Этот собор построен так, чтобы выстоять в условиях постоянных землетрясений. У бактерий, живущих во льдах, наблюдается обратная картина. Здесь «строительным блокам» фермента свойственна гибкость, сохраняющая в ферменте подвижность, несмотря на холод. Такой белок похож на собор, в котором камни при перестройке заменяли не кирпичами, а шарикоподшипниками. Если сравнить активность этих двух ферментов при 6 °C, то окажется, что фермент антарктической бактерии работает в 29 раз быстрее, но если испытать их при 100 °C, выяснится, что он разваливается на части.
Теперь перед нами красочная, объемная картина. Изменения генетической последовательности обретают смысл: фермент сохраняет структуру и функции, несмотря на то, что ему приходится работать в совершенно других условиях. Теперь мы видим, что именно произошло с ним в ходе эволюции и почему. Это уже не общее наблюдение, а серьезное открытие.
Столь же яркие открытия о том, что происходило в ходе эволюции, можно получить с помощью других хитроумных инструментов, доступных в наши дни. Например, сравнительная геномика позволяет сравнивать не просто гены, а целые геномы, тысячи
Ни одна из этих технологий уже не нова. Но теперь мы пользуемся ими на новом уровне сложности, скорости и доступности. Накопление данных продолжается с головокружительной быстротой, как это случилось, в частности, с проектом «Геном человека», осуществлявшимся и завершенным с большим опережением графика. Значительная часть получаемых нами при этом сведений записана не на классических языках популяционной генетики и палеонтологии, а на языке молекул, на уровне которых в природе и происходят изменения. Благодаря развитию технологий в науку пришли новые эволюционисты, умеющие отслеживать работу эволюции в реальном времени. Картина, которая при этом вырисовывается, поражает богатством деталей и диапазоном, охватывающим уровни от субатомного до планетарного. Именно поэтому я и сказал, что теперь, впервые в истории нашей планеты, мы знаем ответ на вопрос о том, как мы здесь очутились. Разумеется, значительную часть растущего объема наших знаний составляют предварительные данные, но и они осмыслены и вплетены в живую ткань науки. Отрадно жить в такое время, когда мы уже знаем так много, но стоим на пороге открытий, которые позволят нам узнать еще больше.
Глава 1. Происхождение жизни
Планета бешено вращалась. Ночь и день сменяли друг друга с головокружительной быстротой: день длился всего пять-шесть часов. Тяжелая Луна угрожающе висела в небе (гораздо ближе, чем сегодня), отчего казалась крупнее. Звезды выглядывали редко, потому что в атмосфере было полно смога и пыли. Яркие нитки метеоритов часто прочерчивали ночное небо. Солнце — когда его вообще можно было разглядеть сквозь завесу рыжего смога — выглядело водянистым и хилым, лишенным нынешнего величия. В те времена люди не выжили бы. У нас, правда, не выскакивали бы из орбит глаза, как могло случиться на Марсе, но в воздухе, который наполнил бы наши легкие, не оказалось бы ни глотка кислорода. Мы прожили бы в такой атмосфере не больше минуты.
По правде сказать, Земля — неудачное имя для нашей планеты. Ей больше подошло бы название Море: даже сегодня океаны покрывают две трети ее поверхности, определяя ее лицо. А в седой (или лучше «голубой»?) древности Земля почти целиком была покрыта водой, и лишь несколько вулканических островков торчали из бушующих волн. Приливы, покорные висевшей так близко Луне, были колоссальны: перепады уровня моря достигали, вероятно, сотен футов. Крупные небесные тела (астероиды и кометы) реже сталкивались с Землей, чем прежде, когда падение крупнейшего из них привело к отпочкованию Луны, но и в этот сравнительно спокойный период океаны бурлили и пенились. Кипела не только поверхность, но и глубины: из трещин в земной коре выдавливалась магма. Преисподняя постоянно давала о себе знать извержениями многочисленных вулканов. Это был мир, лишенный равновесия, мир неустанной активности, буйный ребенок, из которого выросла Земля, как мы ее знаем.
В этом странном мире 3,8 миллиарда лет назад и возникла жизнь, которой, вероятно, отчасти передалась неугомонность нашей планеты. Мы знаем об этом потому, что крупицы горных пород той давней эпохи сохранились до наших дней. В этих крупицах заключены вкрапления углерода, изотопный состав которых несет на себе почти недвусмысленную печать жизни. Может показаться, что это слабое основание для столь важного вывода. Возможно, так и есть: среди специалистов пока нет единства мнений по этому вопросу. Если снять еще несколько слоев с луковицы времени, то к отметке 3,4 миллиарда лет назад признаки жизни окажутся совершенно однозначными. В то время мир уже кишел бактериями, оставившими след не только в виде изотопного состава углерода, но и в виде множества разнообразных форм микроокаменелостей, а также в виде увенчанных куполами соборов бактериальной жизни — метровых строматолитов. Бактерии правили Землей еще два с половиной миллиарда лет, после чего в палеонтологической летописи появились первые по-настоящему сложные организмы. Некоторые ученые полагают, что на самом деле бактерии никому не отдали планету: животные и растения, при всем их блеске, по-прежнему уступают бактериям по биомассе.
Что же на древней Земле вдохнуло жизнь в неорганическую стихию? Уникальны ли мы? Исключительно редки? Или наша планета — лишь один из миллиона миллиардов питомников жизни, разбросанных по Вселенной? Согласно антропному принципу, это не так важно. Если вероятность появления жизни составляет один шанс из миллиона миллиардов, то хотя бы на одной из миллиона миллиардов планет жизнь появится с вероятностью, близкой к единице. А поскольку мы, разумеется, обитаем на живой планете, она и должна быть той самой, одной из миллиона миллиардов. Какой бы исключительно редкой ни была жизнь, в бесконечной Вселенной всегда будет вероятность, что хотя бы на одной планете она возникнет, и именно на этой планете мы и живем.