Текст книги "Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции"

“Между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения”

Человечество узнало о цикличности в природе задолго до того, как осознало их. Самый заметный цикл – смена дня и ночи. Тела, самостоятельно перемещающиеся в космосе или обращающиеся вокруг других тел под действием гравитации, естественным образом вращаются вокруг своей оси. Исключения из этого правила существуют, но наша планета к ним не относится. Сейчас период ее вращения составляет примерно 24 часа (прежде Земля вращалась быстрее). Мы видим это каждый день, наблюдая за сменой дня и ночи.

Поскольку мы с вами обитаем на поверхности достаточно массивного небесного тела, наш взгляд на гравитацию несколько односторонен: мы рассматриваем ее как силу, которая притягивает все вокруг к центру Земли, то есть с нашей точки зрения – “вниз”. Сила тяготения, однако, универсальна, и первым это понял Исаак Ньютон. Во всей Вселенной она поддерживает тела на квазипостоянных орбитах вокруг других тел. Это касается и нас: мы воспринимаем обращение Земли вокруг Солнца как смену времен года[106]106
  Около 19 % британцев (см. приложение) не знает, что такое год, и полагает, что Земля делает оборот вокруг Солнца за месяц. Даже те, кто знают правильный ответ, не всегда могут объяснить смену времен года.


[Закрыть]. Поскольку ось вращения Земли наклонена относительно оси обращения вокруг Солнца, половину года одно из полушарий планеты наклонено в сторону Солнца, и живущие на нем наслаждаются длинными днями и короткими ночами. Максимум приходится на лето. Во второй половине года, зимой, наблюдается обратный эффект: длинные ночи и короткие дни. В зимнее время в нашем полушарии солнечные лучи освещают поверхность планеты под меньшим углом. Благодаря меньшему углу между лучом и поверхностью Земли зимнее Солнце освещает большую площадь с меньшей эффективностью. Меньше фотонов на квадратный сантиметр – значит, холоднее. Меньше фотонов на квадратный сантиметр зеленого листа – значит, меньше фотосинтетической энергии. То же действие оказывают и длинные ночи, означающие меньшую длину светового дня. Лето и зима, день и ночь – наша жизнь подчинена циклам. Об этом говорил Дарвин, а прежде него – Писание: “Впредь во все дни земли сеяние и жатва, холод и зной, день и ночь не прекратятся”.

Другие – не менее важные для жизни, но чуть менее очевидные циклы – также управляются гравитацией. В отличие от многих других планет, которые имеют несколько спутников, часто небольших, вокруг Земли обращается только один спутник, весьма массивный. Мы называем это небесное тело Луной. Она достаточно велика для того, чтобы оказывать существенный гравитационный эффект. Мы можем его наблюдать главным образом в приливных циклах: не только в быстром дневном цикле приливов и отливов, но и в более медленных месячных циклах весеннего половодья и квадратурных приливов (самой низкой воды в конце первой и третьей четвертей лунного цикла), вызываемых взаимодействием гравитационных эффектов Солнца и Луны, совершающей полный оборот вокруг Земли чуть меньше, чем за месяц. Приливные циклы особенно важны для организмов, обитающих в океане и прибрежной зоне, и люди иногда предполагают, что часть генетической памяти живших в воде предков отражается в репродуктивных циклах человека. По-моему, это чересчур, однако рассуждать о том, как изменилась бы жизнь, не будь на земной орбите Луны, можно долго и с интересом. Выдвигались даже предположения (на мой взгляд, беспочвенные), что земная жизнь без Луны вообще была бы невозможной.

Что если бы наша планета не вращалась вокруг своей оси? Будь одно из полушарий постоянно повернуто к Солнцу, как Луна повернута к Земле, там царил бы вечный, раскаленный как ад день. В другом же полушарии было бы невыносимо холодно. Смогла ли бы жизнь сохраниться в тонкой полоске сумерек на экваторе или глубоко под землей? Не думаю, что жизнь вообще появилась бы в столь недружественных условиях. Но если Земля начала бы постепенно останавливаться, времени на подготовку была бы масса, и, вполне возможно, некоторые бактерии сумели бы приспособиться.

Рассмотрим и другой вариант: Земля вращается, но ось вращения не наклонена по отношению к оси обращения вокруг солнца. Не думаю, что это исключило бы появление жизни. Смены зимы и лета не было бы: климатические условия были бы функцией от долготы и широты, а не от времени. Обитатели приполярных районов и высокогорий всегда жили бы зимой. Жизнь почти наверняка сохранилась бы, но жизнь без смены времен года была бы малоинтересной. Не было бы оснований для миграций, размножения в определенное время года, листопада, линьки и спячки.

Не обращайся наша планета вокруг звезды, жизнь, безусловно, была бы невозможной. Единственная альтернатива вращению вокруг звезды – бесконечный одиночный полет сквозь пустоту, темную, близкую по температуре к абсолютному нолю, вдали от источников энергии, способных побудить жизнь к развитию, движению – пусть на время и на ограниченном пространстве – против термодинамического градиента. Фраза Дарвина о “неизменных законах тяготения” – больше чем простой поэтический прием, призванный отразить невообразимую бесконечность и громадное время, прошедшее с момента возникновения планеты.

Небесное тело может находиться на более или менее постоянном расстоянии от источника энергии, только вращаясь вокруг звезды. Вблизи любой звезды, и наше Солнце не исключение, есть небольшая зона, купающаяся в тепле и свете, в которой возможны возникновение и эволюция жизни. При отдалении от звезды эта потенциально обитаемая зона быстро сокращается, подчиняясь закону обратных квадратов расстояния: количество тепла и света, достигающих объекта, уменьшается не пропорционально расстоянию от тела до звезды, а пропорционально квадрату этого расстояния. Нетрудно понять, почему это так. Представьте себе концентрические сферы с увеличивающимися радиусами и общим центром – какой-либо звездой. Ее энергия расходится во все стороны и равномерно распределяется по внутренней поверхности сферы. Площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса. Таким образом, если сфера А отстоит от звезды вдвое дальше сферы Б, то же количество фотонов попадет на площадь в четыре раза большую. Именно поэтому внутренние планеты Солнечной системы – Венера и Меркурий – раскалены, а внешние (Нептун и Уран) темны и холодны (хотя и не настолько, как межзвездное пространство).

Второй закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, следовательно, она может (в закрытой системе – должна) терять способность производить работу. Именно это подразумевается, когда речь идет о возрастании энтропии. Под работой подразумевается, например, закачка воды вверх или выделение углерода из атмосферного углекислого газа и встраивание его в ткани растения. Я упоминал в главе 12, что такие процессы возможны только в том случае, если в систему постоянно подается энергия, например электрическая, обеспечивающая работу водяного насоса, или солнечная, делающая возможным фотосинтез. Если закачать воду в водонапорную башню, она будет стремиться вниз. Часть энергии этого нисходящего потока можно использовать, чтобы вращать водяное колесо и таким образом вырабатывать электроэнергию. Ее, в свою очередь, можно направить на повторное закачивание воды вверх, но часть энергии всегда будет теряться. Если бы это было не так, мы построили бы вечный двигатель. Но это невозможно (и не бойтесь повторять это категоричным тоном).

Химия жизни основана на том, что растения за счет энергии солнца извлекают из воздуха углерод, и его потом можно сжечь и получить некое количество энергии. Иногда мы так и поступаем, например, буквально сжигая уголь, который фактически является консервированной солнечной энергией – он образовался из “солнечных батарей” погибших древних растений. Однако существуют и куда более контролируемые способы высвобождения энергии. Все живые клетки растений и животных, поедающих растения, и животных, поедающих животных, которые едят растения, и так далее, медленно “сжигают” соединения углерода. Вместо того чтобы гореть, рождая пламя, они отдают энергию постепенно, что позволяет поддерживать “восходящие” реакции. Тем не менее часть этой энергии неизбежно рассеивается. Иначе и быть не может. В противном случае мы получили бы вечный двигатель.

Практически вся энергия во Вселенной быстро переходит от форм, способных совершать работу, к формам, которые к этому неспособны. Когда-нибудь Вселенная достигнет состояния абсолютно перемешанного, абсолютно ровного и (буквально!) бессобытийного – и погибнет. Однако пока Вселенная в целом неумолимо движется навстречу “тепловой смерти”, небольшое количество энергии вполне способно локально обращать вспять этот процесс. Морская вода поднимается в воздух, образуя облака. Те проливаются дождем на горные вершины, с которых вода течет в виде ручьев и рек, вращающих турбины гидроэлектростанций. Энергия подъема воды из моря в атмосферу (и, соответственно, вращения турбин ГЭС) исходит от Солнца. Таким образом, цикл не нарушает второй закон термодинамики, поскольку в закрытую систему постоянно поступает энергия извне (от Солнца). Нечто похожее происходит в листьях зеленых растений при помощи солнечной энергии, вызывая химические реакции. В результате в “восходящих” реакциях растения синтезируют целлюлозы, крахмал, сахара и другие составляющие части растительных тканей. А затем растения погибают, если их прежде не съедят животные. Усвоенная солнечная энергия, таким образом, получает возможность пройти несколько каскадов пищевой цепи, завершающихся разложением – с помощью бактерий или грибов – погибших растений или тел животных, их поедавших. Или же она может сохраниться под землей в виде торфа, а затем угля. Но общее движение к “тепловой смерти” необратимо. На каждой стадии каскада, в каждом цикле круговорота, в каждом клеточном процессе энергия отчасти рассеивается. Ведь мы знаем, что вечный двигатель… Пожалуй, хватит. Но я не откажу себе в удовольствии процитировать (за что я извинялся минимум в одной своей книге) прекрасное высказывание сэра Артура Эддингтона по этому поводу:

Если кто-либо указывает вам на несоответствие вашей любимой теории строения Вселенной уравнениям Максвелла, тем хуже для уравнений. Если она не согласуется с экспериментальными данными – что поделать, экспериментаторы иногда ошибаются. Но если она противоречит второму началу термодинамики, вам не на что надеяться. Теорию не ждет ничего, кроме позора и забвения.

Когда креационисты повторяют, что теория эволюции неверна, потому что противоречит второму началу термодинамики, они, по сути, не сообщают нам ничего, кроме собственного непонимания этого закона (впрочем, они, как мы теперь знаем, не понимают и эволюции). Никаких противоречий нет – благодаря Солнцу.

Система (любая – жизнь, круговорот воды в природе и так далее) зависит от солнечной энергии. Не нарушая физические и химические законы, особенно второе начало термодинамики, энергия солнечных лучей питает все жизненные процессы, позволяя живому измываться над законами физики и химии, достигая поразительной сложности, разнообразия, красоты и невероятной в своей эффектности иллюзии полной статистической невероятности и направленного творения. Воистину невероятная по силе иллюзия: она обманывала лучшие умы человечества до тех пор, пока не появился Дарвин. Естественный отбор – это невероятностный насос, процесс, создающий статистически невозможные вещи. Он постепенно выделяет случайные изменения, позволяющие организмам выживать, и постепенно накапливает их в течение немыслимо долгого времени, пока эволюция не покорит вершины невозможности и разнообразия. Эти высоты (я назвал их “пиком Невероятности”), по-видимому, безграничны. Невероятностный насос естественного отбора направляет сложность всего живого на пик Невероятности и служит как бы статистическим эквивалентом энергии солнечных лучей, поднимающей воду к вершинам реальных гор[107]107
  Не случайно Клод Шеннон, разрабатывавший методы измерения информации, которая сама по себе есть мера статистической невероятности, пришел точно к той формуле энтропии, которую Людвиг Больцман выработал веком раньше для термодинамической энтропии.


[Закрыть]. Жизнь эволюционирует в направлении увеличивающейся сложности только потому, что естественный отбор в локальном масштабе уводит ее от вероятного к невероятному. Это, в свою очередь, возможно исключительно благодаря неиссякаемому потоку солнечной энергии.

“Из такого простого начала…”

Сейчас мы куда больше Дарвина знаем о том, как происходила эволюция. Но о том, как все началось, мы знаем едва ли больше Дарвина. Я посвятил эту свою книгу обзору доказательств, но свидетельств относительно момента начала эволюции на планете у нас нет. Это могло быть событие невероятной редкости: ведь произойти оно должно было всего однажды, и, насколько мы знаем, так это и есть. Более того, возможно, оно произошло единственный раз во Вселенной (но я, честно говоря, так не считаю). Основываясь только на логике, без каких бы то ни было доказательств, мы можем лишь сказать, что Дарвин говорил о “простом начале”. Противоположность простого – статистически маловероятное. Оно не возникает само по себе (именно это и означает малую вероятность). Начало должно было быть простым, а эволюция путем естественного отбора – по сей день единственный известный нам способ, которым из простого начала получается сложное.

В “Происхождении видов” Дарвин не обсуждал вопрос о начале эволюционного процесса. Он считал, что решение этой проблемы выходит за пределы возможностей современной ему науки. В письме Гукеру, которое я цитировал, Дарвин писал: “Думать сейчас о происхождении самой жизни – пустая трата времени. С тем же успехом можно размышлять о природе материи”. Он, тем не менее, не исключал возможности того, что в далеком будущем ответ на этот вопрос будет найден (проблема происхождения материи, например, в значительной степени уже решена): “Должно пройти некоторое время, прежде чем мы увидим ‘слизь, протоплазму и так далее’, дающую жизнь новому животному”.

В опубликованной Фрэнсисом Дарвином в 1871 году переписке своего отца в этом месте стоит сноска:

В 1871 году мой отец написал: “Часто говорят, что условия для образования первого живого организма существуют сейчас и, вероятно, существовали всегда. Но если (какое немаленькое если!) мы предположим, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду, со всякими родами аммония и фосфорными солями, светом, теплом и электричеством и так далее, образовалась химическая смесь протеина, готовая к более сложным изменениям, то в настоящее время такая материя будет немедленно поглощена или впитана, что не могло бы произойти до того, как были образованы живые существа”.

С одной стороны, Дарвин предположил, как могла зародиться жизнь (знаменитый “маленький теплый пруд”), с другой – предложил ученым проститься с пустой надеждой увидеть повторное зарождение жизни. Даже если сложатся все условия для самозарождения живого организма, этот новорожденный немедленно будет “поглощен или впитан” (это сделают, скорее всего, бактерии).

Дарвин написал цитированные строки через семь лет после знаменитой лекции Луи Пастера в Сорбонне, где тот заявил:

“Никогда больше доктрина самозарождения жизни не оправится от смертельного удара, нанесенного ей этим простым опытом”. Под “простым опытом” Пастер подразумевал демонстрацию того, что (вопреки распространенному в те времена мнению) в питательном бульоне, огражденном от контакта с микроорганизмами, они не появляются.

Креационисты время от времени пытаются использовать подобные эксперименты как доказательство своей правоты. Звучит это так: “В наше время самозарождение не наблюдается. Следовательно, жизнь не могла возникнуть спонтанно”. Замечание, сделанное Дарвином в 1871 году, направлено как раз против подобных рассуждений. По всей видимости, самозарождение жизни – чрезвычайно редкое явление, однако минимум однажды оно произошло, вне зависимости от того, считаете ли вы его естественным или сверхъестественным событием. К интереснейшему вопросу о том, насколько редко событие возникновения жизни, я еще вернусь.

Первые серьезные попытки объяснить зарождение жизни (предпринятые независимо Опариным в России и Холдейном в Англии) начались с отрицания того, что условия, в которых когда-то зародилась жизнь, не сохранились. Опарин и Холдейн предположили, что ранняя атмосфера разительно отличалась от нынешней: она не содержала свободного кислорода и была (употребим загадочное химическое слово) “восстановительной”. Мы знаем, что свободный кислород в атмосфере – это продукт жизнедеятельности растений, следовательно, первоначальные условия зарождения жизни его наличие не включали. Кислород хлынул в атмосферу в качестве загрязняющего вещества или даже яда, а естественный отбор перестроил живые существа таким образом, что они научились его использовать – и теперь они без него жить не могут. Идея “восстановительной атмосферы” породила самую известную экспериментальную атаку на проблему происхождения жизни – “колбу с простыми ингредиентами” Стэнли Миллера. Содержимое колбы кипело и пузырилось всего неделю, и за это время успело породить некоторое количество органических веществ, в том числе аминокислоты.

В наше время многие отрицают дарвиновскую концепцию “маленького теплого пруда” вместе с “адским варевом” Миллера, склоняясь в пользу той или иной их альтернативы. По правде сказать, никакого согласия по этому вопросу в научной среде нет. Выдвигались многообещающие гипотезы, но ни одна из них пока бесспорно не доказана. В своих предыдущих книгах я рассказал о нескольких, в том числе и о теории Грэма Кернс-Смита (возникновение жизни на неорганических кристаллах), а также изложил модную в последнее время точку зрения, согласно которой условия катархея были подобны тем, в каких сейчас обитают “термофильные” бактерии и археи, живущие, размножающиеся и процветающие в горячих источниках. В последнее время – и не без убедительных, на мой взгляд, причин – большинство биологов склоняется к так называемой теории “мира РНК”.

У нас нет свидетельств о том, с чего началась жизнь, но мы прекрасно знаем, что должно было произойти. Первый шаг должен был запустить естественный отбор. Усовершенствование и усложнение, достигаемые при помощи естественного отбора, прежде были принципиально невозможны. Отсюда следует, что отправной точкой было возникновение самовоспроизводящейся структуры (благодаря неизвестному процессу). Самовоспроизведение создает популяцию организмов, конкурирующих друг с другом за возможность воспроизвести себя. Поскольку в любом процессе копирования неизбежны ошибки, в популяции возникает изменчивость. Если же в популяции присутствует изменчивость, то репликаторы, обладающие признаками, способствующими успешному выживанию, будут доминировать. Это и есть естественный отбор, и он никак не мог начаться до появления первого самовоспроизводящегося организма.

Описывая “маленький теплый пруд”, Дарвин предположил, что таким отправным событием могло стать образование белка. Эта идея оказалась менее плодотворной, чем другие его построения. Я ни в коем случае не хочу отрицать необходимость белков для жизни. Мы узнали в главе 8, что белки способны принимать трехмерную форму, точно заданную одномерной последовательностью их мономеров – аминокислот. Также мы обсудили, что эта способность позволяет им с огромной избирательностью служить катализаторами химических реакций, причем повышение скорости некоторых реакций достигает двенадцати порядков. Именно невероятная специфичность ферментов лежит в основе биохимии, а диапазон форм, которые могут принимать белки, близок к бесконечности. Именно в этом заключается неоценимое достоинство белков, и Дарвин верно указал на них. Однако есть задача, с которой белки справляются очень плохо, и это ускользнуло от внимания Дарвина: они безнадежны с точки зрения репликации. Они не способны к самовоспроизведению. Это значит, что возникновение белков не могло стать отправной точкой эволюции. А что же могло?

Из известных нам молекул лучше всего реплицируется молекула ДНК. Белки – прекрасные ферменты, но дурные репликаторы. ДНК – наоборот. Она не может сворачиваться в сложные пространственные структуры и, следовательно, не может функционировать как фермент. Вместо этого молекулы ДНК поддерживают линейную, открытую форму, что делает их идеальными репликаторами и хранителями аминокислотных последовательностей. Белки, наоборот, поддерживают “закрытые” конформации и не экспонируют информацию, содержащуюся в их последовательности: она не может быть скопирована или “прочитана”. Информация о последовательности недоступна: она спрятана глубоко внутри свернутого в трехмерную структуру белка. В ДНК, напротив, информация о последовательности легко доступна и поэтому может использоваться как шаблон при синтезе.

В вопросе о зарождении жизни есть своя “уловка-22”: ДНК способна к репликации, но для этого требуется присутствие катализаторов. Белки могут катализировать процесс образования молекул ДНК, но чтобы синтезировать сам белок, необходимо воспользоваться информацией о последовательности аминокислот, которая закодирована ДНК. Как же молекулам юной Земли удалось вырваться из этого порочного круга и запустить естественный отбор? На сцене пора появиться РНК.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) принадлежит к тому же семейству биополимеров, что и ДНК – к полинуклеотидам. Молекулы РНК имеют свой аналог генетического кода ДНК, также из четырех “букв”, и переносят в клетках информацию от ДНК к местам ее непосредственного использования. ДНК служит шаблоном для построения последовательности РНК. Белки, в свою очередь, синтезируются по шаблону РНК, а не ДНК. У некоторых вирусов, кстати, ДНК нет вообще. Роль генетической молекулы, переносящей информацию из поколения в поколение, у них полностью берет на себя РНК.

И вот он – ключевой момент теории “мира РНК”. Помимо вытягивания в цепочку, позволяющую репликацию и передачу генетической информации, молекулы РНК способны (как магнитное ожерелье из главы 8) сами свертываться в трехмерные структуры, имеющие ферментативную активность. РНК-ферменты – рибозимы – существуют. Они не так эффективны, как белковые ферменты, однако они работают. Сторонники теории “мира РНК” считают, что РНК была достаточно эффективным репликатором и удерживала позицию до появления белков, чтобы проиграть только появившимся в процессе эволюции молекулам ДНК.

Теория “мира РНК” кажется мне вполне правдоподобной. Более того, я предполагаю, что в ближайшие несколько десятилетий вероятно полное воспроизведение в лаборатории событий, запустивших четыре миллиарда лет назад механизм естественного отбора. В этом направлении уже предпринято несколько воодушевляющих шагов.

Прежде чем закончить разговор на эту тему, я считаю нужным повторить предупреждение, которое я сделал в предыдущих книгах. Мы не испытываем острой необходимости в правдоподобной теории зарождения жизни. И, более того, можем оказаться в смятении, если такая правдивая теория появится. Этот парадокс является проявлением – или следствием – известной фразы физика Энрико Ферми: “Ну и где они все?”. Звучит загадочно, однако коллеги Ферми из Лос-Аламосской лаборатории были настроены на одну волну с ним и прекрасно его поняли. Почему, собственно, нас не посещают живые существа из других мест Вселенной? Если уж не лично, то хотя бы при помощи радиосигналов (что куда вероятнее)?

Теперь уже мы можем получить количественную оценку: в нашей галактике более миллиарда планет, а во Вселенной – более миллиарда галактик. Наша планета может и вправду оказаться единственной обитаемой во Вселенной. Но если это так, то вероятность появления жизни на планете не должна превышать 1:1000000000. Таким образом, искомая теория зарождения жизни на Земле должна быть как раз неправдоподобной. Если бы она была правдоподобна, то жизнь во Вселенной была бы широко распространена. Может, так и есть; тогда нам нужна правдоподобная теория. Однако пока нет свидетельств существования жизни вне нашей планеты, и нам приходится принимать теории неправдоподобные. Относясь серьезно к парадоксу Ферми и, соответственно, интерпретируя отсутствие сигналов от других живых существ как свидетельство чрезвычайной редкости жизни в галактике, следует ожидать отсутствия какой бы то ни было правдоподобной теории происхождения жизни. (Этот вопрос я подробно рассмотрел в книге “Слепой часовщик” и поэтому здесь в детали углубляться не буду.) Мое предположение, сколько бы оно ни стоило (а оно не стоит почти ничего, поскольку в этом уравнении слишком много неизвестных), таково: жизнь во Вселенной очень редка, но планет так много (каждый день ученые открывают новые), что мы почти наверняка не одиноки. Более того, во Вселенной могут существовать миллионы островков жизни. Однако они могут быть так далеко, что шансов найти друг друга – даже при помощи радиосигналов – у них нет. Таким образом, как бы грустно это ни звучало, с практической точки зрения мы можем считать, что мы одни.