Текст книги "Космос"

Разделение полов, похоже, произошло около 2 млрд лет назад[41]41
  По последним данным, самые ранние известные ископаемые подтверждения полового размножения у одноклеточных имеют возраст 1–1,2 млрд лет (Nicholas Butterfield N., 26 (3):386–404). – Прим. пер.


[Закрыть]. Прежде новые разновидности организмов могли появляться только в результате накопления случайных мутаций. Отбор изменений в генетических инструкциях происходил буква за буквой. Эволюция должна была протекать мучительно медленно. С появлением полов два организма смогли обмениваться целыми абзацами, страницами, томами своего ДНК-кода, порождая новые разновидности, готовые пройти решето естественного отбора. Организмы выбрали половой путь развития; те, что проигнорировали эту возможность, очень быстро вымерли[42]42
  Есть исключения. Например, у амебы нет полового процесса, они размножаются только делением. – Прим. пер.


[Закрыть]. И это относится не только к микробам, жившим 2 млрд лет назад. Мы, люди, тоже испытываем тягу к обмену сегментами своих ДНК.

Окаменелые трилобиты.

Слева: три слепых экземпляра, которым полмиллиарда лет.

В центре и справа: более высокоразвитые особи с прекрасно сохранившимися глазами. Появление трилобитов – одно из следствий кембрийского взрыва.

Ил. из книги «Трилобиты» Р. Леви-Сетти.

© University of Chicago, 1975

Около 1 млрд лет назад[43]43
  По последним данным, атмосфера начала насыщаться кислородом около 2–2,5 млрд лет назад. Именно к этой эпохе относится описываемая далее «кислородная катастрофа». Долгое время океан поглощал большую часть поступающего кислорода, однако около 1 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере продолжило расти и примерно 500 млн лет назад стало близким к современному уровню. – Прим. пер.


[Закрыть] жизнедеятельность растений привела к поразительным изменениям среды обитания на Земле. Зеленые растения производят молекулярный кислород. Поскольку океаны были, как и теперь, густо населены простыми зелеными растениями, кислород становился главной составляющей земной атмосферы, необратимо изменяя ее первоначальный, богатый водородом состав и приближая конец той эпохи в истории Земли, когда живая материя порождалась небиологическими процессами. Кислород способствует расщеплению органических молекул. Несмотря на наше пристрастие к нему, в своей основе он является ядом для всякой незащищенной органической материи. Переход к окисляющей атмосфере стал величайшим кризисом в истории жизни, в результате которого погибло огромное множество организмов, неспособных справиться с кислородом. В наши дни существуют лишь немногочисленные примитивные формы жизни, такие как ботулизм и бациллы столбняка, выживающие только в бескислородной среде. Азот в земной атмосфере химически гораздо более инертен и потому намного менее опасен, чем кислород. Однако и он поставляется биологическими процессами. Таким образом, 99 % земной атмосферы имеет биологическое происхождение. Наше небо было создано жизнью.

Из 4 млрд лет, прошедших от зарождения жизни, бо́льшую часть времени доминирующими организмами были микроскопические синезеленые водоросли, которые покрывали и заполняли океаны. Затем, около 600 млн лет назад, монополия этих водорослей была нарушена, и появилось невероятное изобилие новых форм жизни – событие, получившее название кембрийского взрыва. Живая материя возникла почти сразу после образования Земли, и это позволяет предположить, что жизнь, возможно, есть химический процесс, с неизбежностью возникающий на планетах земного типа. Однако 3 млрд лет эволюция не шла дальше синезеленых водорослей, и это заставляет думать, что развитие живой материи в крупные формы со специализированными органами – задача куда более трудная, чем даже само появление жизни. Быть может, существует множество заселенных микробами планет, где не встретишь больших животных и растений.

Вскоре после кембрийского взрыва океаны уже кишели многочисленными и разнообразными формами жизни. Около 500 млн лет назад в них обитали огромные полчища трилобитов – замечательно устроенных животных, отдаленно напоминавших насекомых; некоторые из них охотились стаями на дне океана. Кристаллическое вещество в их глазах позволяло им различать поляризацию света. Однако в наши дни живых трилобитов больше нет; вот уже 200 млн лет, как они вымерли. Землю неоднократно заселяли растения и животные, от которых в современной флоре и фауне не осталось и следа. И конечно же, видов, населяющих Землю сейчас, в далеком прошлом тоже не было. Среди древних окаменелостей нет и намека на подобных нам животных. Виды появляются, живут какое-то время, а затем угасают.

Дерево и человек – близкие родственники.

Фото Б. Рэя

Похоже, что до кембрийского взрыва виды сменяли друг друга относительно медленно. Отчасти, наверное, такое впечатление складывается из-за того, что чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем скуднее становится доступная нам информация; лишь немногие организмы на ранних этапах истории нашей планеты имели твердые органы, а мягкие ткани почти не дают ископаемых остатков. Однако отчасти представление о том, что до кембрийского взрыва принципиально новые формы жизни появлялись редко, соответствует действительности; тончайшие эволюционные изменения в структуре и биохимии клетки не находят непосредственного отражения во внешних формах, фиксируемых окаменелостями. После кембрийского взрыва новые изощренные акты приспособления следовали друг за другом со скоростью, от которой захватывает дух. В стремительной череде превращений появились первые рыбы и позвоночные; растения, прежде обитавшие только в океанах, начали колонизировать сушу; народилось первое насекомое, и его потомки стали пионерами в освоении земной тверди среди животных; крылатые насекомые вывелись одновременно с амфибиями, существами, которые, подобно двоякодышащим рыбам, способны жить и на земле, и в воде; выросли первые деревья и рептилии; расплодились динозавры; возникли млекопитающие, а вслед за ними первые птицы; увидели свет первые цветы; динозавры исчезли с лица Земли; первые китообразные, предки современных дельфинов и китов, пришли в мир одновременно с приматами, пращурами обезьян и человека. Первые подобия человека, со значительно увеличенным объемом мозга, обрели плоть меньше 10 млн лет назад. И всего несколько миллионов лет назад появились первые настоящие люди.

Человеческий род взращен в лесах, и мы питаем естественное влечение к зеленым кущам. Как чудесно дерево, устремленное к небу! Его листья собирают солнечный свет, необходимый для фотосинтеза, и потому деревья соперничают, затеняя соседей. Часто, приглядевшись, можно заметить, как два дерева с медлительной грациозностью борются друг с другом. Деревья – это замечательные механизмы, которые у солнца берут энергию, у почвы – воду, у воздуха – углекислый газ и все это превращают в пищу для себя и для нас. Созданные ими углеводы растения используют в качестве источника энергии для своих, растительных нужд. А мы, животные, паразитирующие на растениях, воруем углеводы для достижения наших собственных целей. Поедая растения, мы соединяем углеводы с кислородом, растворенным в нашей крови, благодаря дыханию, и таким образом извлекаем энергию, позволяющую нам двигаться. По ходу дела мы выдыхаем углекислый газ, который растения вновь превращают в углеводы. Какая изумительная кооперация: растения дышат тем, что выдыхают животные, и наоборот! Этакий изящный всепланетный цикл взаимного питания, который поддерживается энергией звезды в 150 млн км от нас.

Макрофотография клеток крови человека. Клетки, напоминающие пончики, – это красные кровяные тельца (эритроциты), переносящие кислород. Более крупные комки – белые кровяные тельца, которые уничтожают чужеродные микроорганизмы.

Публикуется с разрешения Д. Голди, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес

Известны десятки миллиардов типов органических молекул. Но лишь около 50 типов участвуют в фундаментальных процессах жизнедеятельности. Одни и те же схемы снова и снова используются с изобретательностью и экономным консерватизмом для разных функций. В самой основе земной жизни – белках, управляющих клеточной химией, и нуклеиновых кислотах, несущих наследственные инструкции, – мы обнаруживаем молекулы, одинаковые у всех растений и животных. И дуб, и я сделаны из одного материала. Если мы заглянем достаточно далеко в прошлое, то найдем нашего общего предка.

По сложности и красоте устройства живая клетка не уступает царству звезд и галактик. Ее тщательно отлаженный механизм совершенствовался миллиардами лет эволюции. Фрагменты пищи причудливым образом превращаются в работающие клеточные структуры. Сегодняшние белые кровяные тельца – это вчерашнее пюре из шпината. Как подобное удается клетке? Внутри нее находится сложнейшая самоподдерживающаяся структура, которая преобразует молекулы, запасает энергию и готовится к самовоспроизведению. Попав внутрь клетки, мы увидели бы многочисленные пятна-молекулы, в основном белки, некоторые в состоянии бешеной активности, другие – в ожидании чего-то. Самые важные белки – ферменты. Эти молекулы управляют химическими реакциями в клетке. Ферменты подобны сборщикам у конвейера – каждый специализируется на какой-то отдельной молекулярной операции: один выполняет, например, шаг 4 в процессе конструирования нуклеотида гуанозинфосфата, другой – шаг 11 в процессе расщепления молекулы сахара в целях извлечения энергии, универсальной валюты, которой расплачиваются за выполнение всех остальных работ в клетке. Однако не ферменты заказывают музыку. Они получают инструкции и сами создаются по указаниям свыше. Молекулы-начальники – это нуклеиновые кислоты. Они живут изолированно в запретном городе в самой сердцевине клетки – ее ядре.

Электронные микрофотографии клеток крови человека (с последовательным увеличением). На верхнем снимке большинство клеток – красные кровяные тельца. Клетка, которая занимает весь нижний снимок, это B-лимфоцит, внутрь которого мы заглянем на следующей странице. Его диаметр – около одной десятитысячной сантиметра.

С разрешения Ж.-П. Ревеля, Калифорнийский технологический институт

Проникнув сквозь пору клеточного ядра, мы обнаружим что-то вроде последствий взрыва на фабрике спагетти – множество беспорядочно разбросанных нитей и спиралей, представляющих собой два типа нуклеиновых кислот: ДНК, которая знает, что следует делать, и РНК, которая доставляет инструкции от ДНК к остальным элементам клетки. Это лучшее, что смогла произвести эволюция за 4 млрд лет, здесь собрана полная информация о том, как создать клетку, дерево или человека. Объем информации, заключенной в ДНК человека, таков, что, если изложить ее обычным языком, она составит сотню толстых фолиантов. Но что особенно важно, молекулы ДНК умеют создавать точные (за очень небольшими исключениями) копии самих себя. Они действительно знают чрезвычайно много.

Путешествие внутрь живой клетки. Лимфоцит типичного представителя земных высших организмов – человека. В поперечнике клетка имеет около 100 микрометров (мкм) (= 0,1 мм – размер наименьшего объекта, который человек может различить невооруженным глазом). Пройдя через клеточную мембрану толщиной 0,01 мкм, мы попадаем в ее липкое продолжение (а), называемое эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), который играет важную роль в строении клетки. Внутри цитоплазмы (б) видны многочисленные рибосомы (например, группа из пяти темных глобул). Некоторые из них прикреплены к белкам или матричным РНК, несущим информацию от ДНК, находящихся в ядре клетки. Поперечник рибосом составляет около 0,02 мкм. В направлении ядра уходят тонкие канальцы (светло-голубые, на заднем плане). Вытянутые, как сардельки, митохондрии (б, в) обеспечивают клетку энергией. Их толщина около 1 мкм, длина около 10 мкм. У них есть своя собственная ДНК. Возможно, когда-то их предки были самостоятельными микробами. ЭР соединяется с ядром (в, г). Нырнув в туннелеобразную нору (диаметром 0,05 мкм) ядерной мембраны (д), мы попадаем в ядро клетки (е), заполненное нитями ДНК, напоминающими «взрыв на макаронной фабрике». Пять полных витков спирали ДНК (ж) соответствуют примерно 3000 атомов. Человеческий геном содержит порядка трехсот миллионов таких витков и двухсот миллиардов атомов, что сравнимо с числом звезд в типичной галактике. Один виток спирали изображен на рисунке (з). Две зеленые нити образуют каркас молекулы, состоящий из чередующихся сахаров и фосфатов. Желтым, красным и коричневым показаны содержащие азот нуклеотидные основания, которые образуют связи, или «ступеньки», между двумя спиралями. (Они представлены молекулами аденина, тимина, гуанина и цитозина. Аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.) Язык жизни складывается из последовательностей нуклеотидных оснований. Отдельные шарики на этой модели соответствуют атомам водорода (самые маленькие), углерода, азота, кислорода и фосфора. Энзим хеликаза (и, голубой), расплетающий ДНК, управляет разрывом химических связей между соответствующими парами нуклеотидных оснований, подготавливая ДНК к репродукции: молекула энзима ДНК-полимеразы (к, голубая) руководит присоединением окружающих строительных блоков к одной из нитей ДНК. Каждая нить в исходной двойной спирали воспроизводит другую в процессе саморепликации ДНК. Когда появившийся нуклеотид не подходит партнеру, ДНК-полимераза удаляет его (эту деятельность молекулярные биологи называют коррекцией ДНК). Редкие ошибки коррекции порождают мутации: генетические инструкции изменяются. Типичная человеческая ДНК-полимераза добавляет несколько десятков нуклеотидов в секунду. В процессе репликации над каждой ДНК может трудиться десять тысяч молекул ДНК-полимеразы. Столь тонкая молекулярная машина существует в каждом дереве, животном и микроорганизме на Земле.

Художники (а–е) Ф. Армитидж, Дж. Оллисон и А. Шеллер.

Компьютерная графика (ж–к) Дж. Блинна и П. Коула, Лаборатория реактивного движения. Все цвета искусственные

ДНК представляет собой двойную спираль, две перекрученные нити, напоминающие спиральную веревочную лестницу. В ходе воспроизведения нити разделяются при помощи специального раскручивающего фермента, а затем каждая нить синтезирует идентичную копию из строительных блоков – нуклеотидов, плавающих вокруг в вязкой жидкости клеточного ядра. Когда процесс раскручивания запущен, замечательный фермент, называемый ДНК-полимеразой, следит за тем, чтобы копирование протекало с почти идеальной точностью. Если случается ошибка, специальные ферменты вырезают дефект и заменяют ошибочный нуклеотид правильным. Эти ферменты – молекулярные машины потрясающих возможностей.

Помимо создания точной своей копии – чем обеспечивается наследственность – ядерные ДНК управляют всей деятельностью клетки – ее метаболизмом – путем синтеза других нуклеиновых кислот, информационных РНК, каждая из которых, покинув ядро, в нужное время и в нужном месте управляет созданием одной молекулы того или иного фермента. Созданная молекула будет теперь отвечать за определенный аспект клеточной химии.

ДНК человека – это лестница длиной в миллиарды нуклеотидов. Большинство их возможных комбинаций совершенно бессмысленны: они бы привели к синтезу белков, не выполняющих никаких полезных функций. Лишь крайне малое число молекул нуклеиновой кислоты годится для форм жизни, столь сложных, как мы с вами. И все же число возможных полезных комбинаций нуклеотидов невероятно велико – оно во много раз превосходит количество протонов и электронов во всей Вселенной. А значит, число человеческих индивидуальностей, которые могли бы существовать, неизмеримо превосходит число всех когда-либо живших людей; человеческий род обладает громадным невостребованным потенциалом. Должны существовать такие комбинации нуклеиновых кислот, которые станут работать намного лучше – какой критерий ни выбери, – чем любой из когда-либо существовавших человеческих организмов. К счастью, мы пока не знаем, как построить альтернативную последовательность нуклеотидов, чтобы вывести новый тип человеческих существ. Возможно, в будущем мы научимся собирать нуклеотиды в любой желаемой последовательности и добиваться каких угодно требуемых характеристик – реалистичная, но тревожная перспектива[44]44
  Сегодня методы генной инженерии позволяют выделять гены одних организмов и встраивать их в геномы других, чтобы изменить свойства последних. Есть также возможность собирать фрагменты ДНК по заданному коду и исправлять отдельные дефекты в ДНК. Однако спроектировать новый ген, придающий организму желаемые свойства, пока невозможно. – Прим. пер.


[Закрыть].

Эволюция совершается через мутации и отбор. Мутации могут происходить в ходе репликации ДНК, когда фермент ДНК-полимераза допускает ошибку. Однако ошибается он очень редко. Мутации также случаются под действием радиации, ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей или содержащихся в окружающей среде химикатов. Такие воздействия способны изменить отдельные нуклеотиды и даже завязать нуклеиновые кислоты узлом. Если темп мутаций становится слишком высоким, мы теряем то, что накопили за 4 млрд лет тщательного эволюционного отбора. Если он слишком низок, то перестают появляться новые разновидности, которые могли бы приспособиться к будущим изменениям окружающей среды. Эволюция жизни требует более или менее точного баланса между мутациями и отбором. Когда этот баланс достигнут, появляются замечательные примеры адаптации.

Изменение в отдельном нуклеотиде ДНК приводит к изменению одной аминокислоты в белке, который эта ДНК кодирует. Красные кровяные тельца людей европеоидной расы имеют форму, близкую к сферической. А у некоторых представителей негроидной расы они напоминают по форме ущербную луну. Серповидные клетки переносят меньше кислорода и потому ведут к анемии определенного рода. Но зато они обеспечивают высокую сопротивляемость малярии. Вряд ли кто-то станет спорить, что лучше страдать анемией, чем умереть от малярии. Это весьма существенное различие в свойствах крови – разницу можно без труда заметить на фотографиях красных кровяных телец – является результатом изменения всего лишь одного нуклеотида из 10 млрд, составляющих ДНК типичной человеческой клетки[45]45
  По последним данным, ДНК человека содержит 3,1 млрд пар нуклеотидов. – Прим. пер.


[Закрыть]. Мы все еще не знаем, каковы могут быть последствия изменений в большей части других нуклеотидов.

Внешне мы, люди, совсем не похожи на деревья. Без сомнения, мы иначе воспринимаем окружающий мир. Однако в самой глубине, в молекулярном сердце жизни, мы и деревья суть одно и то же. Наша наследственность обеспечивается нуклеиновыми кислотами; химией наших клеток управляют белки в роли ферментов. Но самое главное, для перевода информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, в информацию белков используется одна и та же кодовая книга, общая практически для всех живых созданий на планете[46]46
  Генетический код все-таки не полностью одинаков у всего живого на Земле. Известно по крайней мере несколько случаев, когда для перевода информации ДНК в информацию белков в митохондриях используется кодовая книга, отличная от той, что применяется для генов в ядре той же самой клетки. Это указывает на огромное эволюционное различие в генетических кодах митохондрий и ядер и согласуется с представлением о том, что митохондрии когда-то были свободноживущими организмами, включенными в состав клеток миллиарды лет назад в результате симбиотических отношений. Появление и быстрое усложнение этого симбиоза, между прочим, является одним из ответов на вопрос о том, что вырабатывала эволюция между появлением клетки и распространением многоклеточных организмов в ходе кембрийского взрыва. – Прим. авт.


[Закрыть]. Обычно это молекулярное единство объясняют тем, что все мы – деревья и люди, морской черт (удильщик) и плесневый грибок, а также парамеция – ведем свое происхождение от одного общего предка, одного экземпляра, давшего начало жизни в древней истории планеты. Но как же впервые появились эти наиважнейшие молекулы?

В лаборатории Корнеллского университета мы среди прочего занимались предбиологической органической химией, пытаясь сыграть отдельные ноты музыки жизни. Мы пропускали электрическую искру через смесь водорода, водяного пара, аммиака, метана, сероводорода – газов, составлявших атмосферу первобытной Земли. Все они, между прочим, присутствуют в наше время в атмосфере Юпитера и встречаются в космосе. Искра имитировала грозовые разряды, также характерные для древней Земли и современного Юпитера. Первоначально сосуд был полностью прозрачен: исходные газы совершенно невидимы. Однако через 10 минут пропускания через него электрических разрядов мы замечали странный коричневый налет, медленно оседающий на стенках сосуда. Постепенно толстый слой бурого дегтя совершенно скрывал происходящее внутри. При использовании ультрафиолетового излучения, моделирующего свет молодого Солнца, результат получался более или менее таким же. Деготь представлял собой чрезвычайно богатую смесь сложных органических молекул, включая составные части белков и нуклеиновых кислот. Оказалось, что получить материал, из которого построена жизнь, очень легко.

Синтез органического вещества в Лаборатории планетарных исследований Корнеллского университета. На прозрачную смесь газов – метана, аммиака, сероводорода – и воды, помещенную в стеклянный сосуд (вверху), воздействовали электрическими разрядами. Через несколько часов внутренняя поверхность сосуда (внизу) покрывалась смесью разнообразнейших органических молекул, связанных с процессами происхождения жизни.

С разрешения Б. Хара

Подобные эксперименты впервые проделал в начале 1950-х Стенли Миллер, который был тогда аспирантом у химика Гарольда Юри. Юри приводил убедительные аргументы в пользу того, что в первичной атмосфере Земли, как и почти везде во Вселенной, преобладал водород, что впоследствии водород с Земли постепенно диссипировал (рассеялся) в космос, чего не случилось на массивном Юпитере, и что жизнь возникла до того, как водород был потерян. После того как Юри предложил пропустить через подобную смесь газов электрический разряд, кто-то спросил у него, какие продукты он ожидает получить в таком эксперименте. Юри ответил: «Бейльштейна». «Бейльштейн» – это громадный 28-томный немецкий компендиум, перечисляющий все известные химикам органические молекулы[47]47
  Впервые был издан в России в 1881–1906 гг. под руководством российского химика-органика Ф. Ф. Бейльштейна (1838–1906). С 1951 г. справочник, носящий имя Бейльштейна, выпускается в Германии. – Прим. ред.


[Закрыть].

Используя только наиболее широко распространенные на древней Земле газы и практически любой источник энергии, способный разрушать химические связи, мы смогли получить основные строительные блоки жизни[48]48
  По современным представлениям описанная картина выглядит излишне оптимистичной. В условиях интенсивной метеоритной бомбардировки и сильного солнечного ветра, не сдерживаемого магнитным полем, земное тяготение не могло удерживать первичную водородно-гелиевую атмосферу сколько-нибудь долго. Вторичная атмосфера была образована дегазацией горных пород и состояла в основном из воды, углекислого газа, азота и других газов при незначительном содержании аммиака, метана и свободного водорода. В таких условиях эксперименты Миллера – Юри дают значительно меньше органики. Поэтому в исследованиях по предбиологической химии теперь больше внимания уделяется гидротермальным системам и даже возможному синтезу органики в космических условиях с последующим выпадением на Землю. См., напр.: Zahnle K., Cold Spring Harb Perspect Biol., 2 (10): a004895 (2010). – Прим. пер.


[Закрыть]. Но в нашем сосуде звучали лишь отдельные ноты музыки жизни, а не сама музыка. Молекулярные строительные блоки необходимо еще расположить в правильном порядке. Жизнь, конечно, нечто большее, чем аминокислоты, из которых состоят белки, или нуклеотиды – составляющие нуклеиновых кислот. Но даже формирование из этих строительных блоков длинных молекул-цепочек являло собой значительный прогресс в экспериментах. В условиях, близких к тем, что были на древней Земле, аминокислоты объединялись в молекулы, напоминающие белки. Некоторые из них могли, хотя и очень слабо, влиять на полезные химические реакции, подобно тому как это делают ферменты. Нуклеотиды составляли нити нуклеиновой кислоты длиной в десятки блоков. При благоприятных условиях в лабораторной пробирке короткая молекула нуклеиновой кислоты может синтезировать идентичную себе копию[49]49
  Нить нуклеиновой кислоты сама по себе способна синтезировать не идентичную копию, а дополнительную, с которой связывается в двойную спираль. Для полноценной репликации необходимо присутствие сложных ферментов, механизм появления которых в природе пока неясен. – Прим. пер.


[Закрыть].

И все же никому пока не удалось, смешивая газы и воды первобытной Земли, добиться, чтобы в конце эксперимента из лабораторной колбы выползло нечто живое. Мельчайшие известные живые объекты – вироиды – состоят менее чем из 10 000 атомов. Они вызывают целый ряд различных болезней у культурных растений и произошли, вероятно, от более сложных, а не более простых организмов. В самом деле, трудно представить себе еще более простые организмы, которые являлись бы хоть в каком-то смысле живыми. Вироиды состоят из одной только нуклеиновой кислоты, в отличие от вирусов, которые также имеют белковую оболочку. Они представляют собой всего-навсего единичную нить РНК линейной или кольцевой формы. Вироидам удается быть столь маленькими и все-таки процветать, потому что они законченные паразиты. Подобно вирусам, они просто завладевают молекулярными машинами гораздо более крупной и хорошо работающей клетки и превращают ее из фабрики, производящей новые клетки, в фабрику вироидов.

Наименьшими из известных свободноживущих организмов являются плевропневмониеподобные организмы и близкие к ним. Они состоят примерно из 50 млн атомов[50]50
  Эти организмы относятся к числу паразитов, неспособных существовать вне организма-хозяина. Наименьший известный свободно живущий организм – открытая в 2002 г. бактерия Pelagibacter ubique – содержит около 600 млн атомов. – Прим. пер.


[Закрыть]. Такие организмы, вынужденные в большей степени полагаться на себя, намного сложнее вироидов и вирусов. Однако сегодня земная среда обитания не слишком благоприятна для простых форм жизни. Приходится много работать, чтобы выжить. Приходится беречься от хищников. Однако в начальный период истории нашей планеты, когда в богатой водородом атмосфере солнечный свет порождал огромное количество органических молекул, шансы выжить были даже у самых простых непаразитических организмов. Первым живым существом могло оказаться что-то вроде свободноживущего вироида длиной всего в несколько сотен нуклеотидов. Эксперименты по созданию подобных существ могут начаться уже в конце ХХ в.[51]51
  В 2003 г. группа под руководством Крейга Вентера впервые искусственно синтезировала геном вируса PhiX174 по коду, который был расшифрован еще в 1978 г. После помещения в белковую оболочку искусственный геном работал не хуже натурального. В 2010 г. группа Вентер проделала аналогичную операцию с бактерией рода микоплазма. На сегодня это высшее достижение в области искусственной жизни. О разработке новых геномов «с нуля» и об искусственном создании белковой оболочки вируса, а тем более клетки, речи пока не идет. – Прим. пер.


[Закрыть] Многое еще предстоит понять о происхождении жизни, и в том числе – о возникновении генетического кода. Однако мы проводим подобные эксперименты всего лишь около трех десятилетий[52]52
  Здесь и далее в подобных случаях следует учитывать, что книга была впервые опубликована в 1980 г. – Прим. ред.


[Закрыть]. У природы была фора в 4 млрд лет. Во всяком случае мы продвигаемся довольно неплохо.

Инопланетянин в представлении фантаста Э. Картье. Сравните его с электронной микрофотографией земного клеща в начале этой главы.

Библиотека иллюстраций Hamlyn Group

Во всех этих экспериментах нет ничего специфически земного. Исходные газы и источники энергии весьма обычны для Космоса. Химические реакции, подобные тем, что происходили в нашей лаборатории, могут быть причиной появления органического вещества в межзвездном пространстве, а также источником аминокислот, обнаруженных в метеоритах. В чем-то похожие химические процессы, должно быть, протекали в миллиардах других миров по всему Млечному Пути. Молекулы жизни заполняют Космос.

Но даже если инопланетная жизнь основана на той же молекулярной химии, что и у нас, вряд ли стоит ожидать появления организмов, похожих на те, что нам знакомы.

Посмотрите, как невероятно разнообразны живые существа Земли, населяющие одну планету и имеющие общую молекулярно-биологическую основу. Те, другие животные и растения, вероятно, кардинальным образом отличаются от знакомых нам земных организмов. Возможны некоторые эволюционные параллели, поскольку не исключено, что та или иная задача приспособления к окружающей среде имеет единственное наилучшее решение – к примеру, что-нибудь вроде двух глаз для бинокулярного зрения в оптическом диапазоне. Однако в целом случайный характер эволюционного процесса должен сделать внеземную жизнь отличной от всего, что мы знаем.

Я не могу сказать, как будут выглядеть внеземные существа. Меня крайне ограничивает тот факт, что я знаком только с одним типом жизни – с жизнью на Земле. Некоторые люди – писатели-фантасты и художники, например, – выдвигали предположения относительно облика обитателей других миров. Я скептически отношусь к большинству этих внеземных фантазий. Они кажутся мне слишком похожими на те формы жизни, с которыми мы уже знакомы. Любой конкретный вид организмов стал таким, какой он есть, в результате длинной цепочки отдельных маловероятных шагов. Не думаю, что жизнь где бы то ни было обретет форму рептилии, или насекомого, или человека – пусть даже с такими незначительными, косметическими поправками, как зеленая кожа, остроконечные уши или антенны. Но, если бы вы настаивали, я мог бы попытаться вообразить что-нибудь совершенно другое.

На гигантской планете вроде Юпитера с атмосферой, богатой водородом, гелием, метаном, водяными парами и аммиаком, твердая поверхность недосягаема, однако существуют довольно плотные облачные слои, в которые органические молекулы могут падать с неба, будто манна небесная, как это получалось с продуктами наших лабораторных экспериментов. Есть на такой планете и характерная помеха для жизни: атмосфера турбулентна и в нижних своих слоях разогрета до очень высоких температур. Организмы должны остерегаться того, чтобы их не унесло вниз и не поджарило.

Дабы показать, что жизнь вовсе не исключена на таких совершенно отличных от Земли планетах, мы с коллегой по Корнеллу Э. Солпитером[53]53
  Эдвин Эрнест Солпитер (1924–2008) – американский астрофизик и биофизик, один из основоположников теории строения и эволюции звезд и звездного нуклеосинтеза. – Прим. пер.


[Закрыть] проделали некоторые вычисления. Конечно, мы не можем точно знать, на что будет похожа жизнь в подобном месте, однако нам хотелось рассмотреть, в рамках известных законов физики и химии, может ли мир такого типа в принципе быть обитаемым.

Такими представляют себе инопланетян писатели-фантасты

Один из способов сохранить жизнь в описанных условиях – произвести потомство, прежде чем изжариться, и надеяться, что конвекция вынесет некоторых твоих отпрысков в более высокие и холодные слои атмосферы. Такие организмы могут быть очень маленькими. Мы назвали их синкерами. Однако можно также стать и флоатером (от англ. float – плавать. – Прим. пер.) – огромным водородным баллоном, который откачивает наружу гелий и другие более тяжелые газы, оставляя внутри себя только легчайший газ – водород; другой вариант – баллон с горячим воздухом, сохраняющий плавучесть за счет поддержания внутри себя высокой температуры, на что тратится энергия, получаемая с пищей. Как и в случае с привычными нам земными воздушными шарами, чем глубже погружается флоатер, тем больше становится подъемная сила, возвращающая его в верхние, более прохладные и безопасные области атмосферы. Флоатер может питаться образующимися в атмосфере органическими молекулами или вырабатывать их самостоятельно, используя солнечный свет и воздух, подобно тому как это делают растения на Земле. Надо заметить, что чем больше будут размеры флоатера, тем жизнеспособнее он окажется. Мы с Солпитером представляли себе флоатеров поперечником в несколько километров – величиной с целый город, намного крупнее самых больших из когда-либо существовавших китов.

Флоатеры могут передвигаться в атмосфере, испуская струи воздуха на манер реактивного самолета или ракеты. Мы воображали их скученными в огромные ленивые стада, которые простираются, насколько хватает глаз, с характерной защитной окраской, свидетельствующей, что они тоже сталкиваются с проблемами. Потому что в рассматриваемой среде существует по меньшей мере еще одна экологическая ниша – охота. Хантеры[54]54
  От англ. hunter – охотник. – Прим. пер.


[Закрыть] – существа быстрые и подвижные. Они охотятся на флоатеров не только ради их органики, но и ради запасаемого ими чистого водорода. Пустотелые синкеры вполне могли эволюционировать в первых флоатеров, а самодвижущиеся флоатеры – в первых хантеров. Хантеров не может быть слишком много, поскольку в противном случае они поглотили бы всех флоатеров и погибли бы сами.

Физика и химия допускают существование таких форм жизни. Искусство наделяет их неким очарованием[55]55
  Описание похожей воображаемой экосистемы Юпитера было использовано Артуром Кларком в романе «2010: Одиссея-2». – Прим. пер.


[Закрыть]. Природа, конечно, не обязана следовать нашим умозрениям. Но если в Галактике существуют миллиарды обитаемых миров, то, возможно, среди них найдется несколько населенных синкерами, флоатерами и хантерами, которых мы выдумали, оставаясь в рамках законов физики и химии.

Биология больше похожа на историю, чем на физику. Чтобы понять настоящее, нужно знать прошлое. И знать во всех подробностях. Нет еще такой биологической теории, которая позволяла бы делать предсказания, так же как нет ее и в исторической науке. Причина здесь общая: обе дисциплины пока слишком сложны для нас. Но разобравшись в других примерах, мы способны лучше узнать самих себя. Изучение даже одного образчика внеземной жизни, сколь бы скромным он ни был, избавит биологию от провинциальности. Прежде всего, биологи узнают, какие иные формы жизни возможны. Говоря о важности поиска внеземной жизни, мы не обещаем, что найти ее будет просто, – только гарантируем, что поиски того стоят.

Пока мы слышали голос жизни только в одном маленьком мире. Но мы наконец начали прислушиваться к другим голосам космической фуги.

Хантеры и флоатеры – воображаемые, но возможные формы жизни в атмосферах планет, подобных Юпитеру. Характер облаков в основном был взят из наблюдений атмосферы Юпитера, проведенных «Вояджером». Кристаллы льда в верхних слоях атмосферы приводят к возникновению гало вокруг Солнца. Фрагменты первой большой картины: (a) стадо флоатеров поднимается в восходящем потоке над ураганом; (б) флоатеры летят через разрыв в облаках; (в) флоатеры в аммиачных перистых облаках; (г, д) флоатеры крупным планом, маскирующиеся под фактуру облаков для совместной защиты от хантеров; (е) хантер в атакующей конфигурации; (ж) стая маскирующихся флоатеров на большой высоте.