Читать онлайн Любовь и смерть в живой природе. Брачные игры животных, обряды прощания и другие причуды биологии бесплатно

1. Самый невероятный факт

Знаете ли вы, что некоторые бактерии создают электрические провода, которые работают по тому же принципу, что и наш мозг? Чтобы проверить, так ли это, давайте вернемся в прошлое на несколько миллиардов лет назад…

Блип-блип.

Где-то в кромешных глубинах океана, куда не проникают солнечные лучи, электрический импульс вспыхивает в неподвижности бездны. На самом дне под тяжестью толщи воды температурой 4°C скрыт провод – настолько крошечный, что он не заметен даже вооруженным глазом. Он пропускает сквозь себя электрический ток.

Блип.

Эта пульсация создана не человеком. Если вы приблизитесь, то увидите, что поверхность провода состоит из белков, а внутри нее активизируются ферменты. Этот провод – бактерия, которая живет, пропуская сквозь себя электроны.

Блип. Блип.

Дышать через провод

Во время клеточного дыхания наши клетки крадут электрон у молекулы (этот процесс называется окисление) и отдают его атому кислорода (восстановление). В результате высвобождается энергия, которая поддерживает жизнедеятельность организма. У нас все это происходит в отделе клетки, который называется митохондрия, на расстоянии нескольких микрометров.

Но электрические бактерии на дне живут в грунте с очень низким содержанием кислорода. Они придумали, как справляться с этой проблемой: бактерии создают провода длиной в несколько сантиметров прямо в осадке на дне и выбираются наружу там, где есть кислород. Электроны, отобранные у молекул веществ, которые содержатся в иле на дне, проходят через этот органический провод и передаются кислороду в океане, высвобождая энергию, которая поддерживает жизнь в бактериях из провода.

Блип. Блип. До 10 000 бактерий работают вместе, чтобы образовать эти провода, которые, в свою очередь, создают чрезвычайно плотные сети. Только представьте – электрические сети бактерий, которые буквально питаются электронами. Когда ученые открыли такие провода из бактерий, они испытали настоящий шок: по нашим масштабам, это все равно, как если бы две части нашего метаболизма эволюционировали на расстоянии 20 километров! На самом деле эти электрические бактерии были открыты не так давно, и вполне вероятно, что впереди нас ждет еще много сюрпризов. Более того, ученые выяснили, что бактерии Geobacter, которые не формируют совместные провода, а прокладывают нанопровода вокруг себя, нашли и другое применение электричеству. Они встречаются во многих экосистемах, в том числе и у нас во рту. Блип. Блип. Блип.

Чтение выносит мозг

Вы читаете эти строки сидя или лежа. За это время ваши глаза передают мозгу невероятное количество визуальной информации. Сама книга перед вами, цвет бумаги или монитора, изящные иллюстрации на страницах – вся эта информация поступает прямиком в затылочную долю, в заднюю часть вашего черепа. Далее она направляется к веретенообразной извилине слева и к медиальной затылочно-височной извилине, где все эти закорючки превращаются в буквы. Эти зоны левого полушария, необходимые для чтения, не берут на себя всю работу: распознать смысл слов и вспомнить их произношение помогают лобная доля и височная доля. Посмотрите, как выглядит ниже идеограмма «мозг». Без информации, которая помогла бы расшифровать ее, вы увидите только рисунки – то же самое относится к буквам и словам в нашем языке.

Все эти электрические процессы занимают миллисекунды, и вы их даже не замечаете. Черточки, которые вы расшифровываете, приобретают смысл автоматически благодаря сложной нервной системе, происхождение которой насчитывает более миллиарда лет. Историю мозга отличает один существенный факт. Самый невероятный факт на свете.

Назад в прошлое

Представьте себе безумного нейробиолога с ключами от машины времени. Что он увидит, отправившись прошлое? Ученый нажимает на кнопку, и – паф! – время бежит вспять. Первым делом биолог замечает, что мозг наших предков сужается. Объем мозга составляет 1350 см³, и он в два раза больше, чем у человека умелого (Homo habilis), который жил около двух миллионов лет назад. А его мозг в два раза больше, чем у нашего общего предка с шимпанзе – примата, который жил около восьми миллионов лет назад. Любопытный исследователь решает ускориться, и машина уносит его еще дальше в прошлое – на 550 миллионов лет назад. И он натыкается на нашего предка… который больше всего напоминает бесхребетного угря.

Ископаемые остатки наподобие пикайи (Pikaia gracilens) ученые обнаруживают и по сей день. Чтобы понять, как выглядел этот наш дальний родственник, достаточно посмотреть на таких ныне живущих существ, как ланцетник (Branchiostoma lanceolatum). Это небольшое мягкотелое морское животное отличается примитивной анатомией: подобие глаз и рот спереди, анус и плавник сзади.

Как и в случае с ланцетником – и впервые в истории эволюции, – пикайя обладала нервной системой, сдвинутой ближе к передней части тела, чем к задней. Образовался нарост – предшественник мозга. Процесс «цефализации» (от греч. kephale – «голова») произвел настоящую революцию.

Углубляясь все дальше в прошлое (уже примерно на 700 миллионов лет назад), наш путешественник во времени обнаруживает диффузные нервные системы: сеть скоплений нейронов – ганглиев, – равномерно распределенных по всему телу. Все они выполняют примерно одни и те же функции: позволяют ощущать окружающую среду и заставлять организм реагировать в зависимости от этих ощущений. Эти нервные узлы до сих пор обнаруживают у морских звезд или медуз. Биолог наблюдает эти первые наброски нервной системы и пытается проследить их будущее. Он решает, что, пожалуй, все-таки не станет ждать несколько сотен миллионов лет, пока эволюция не превратит эту примитивную нейронную сеть в мозг, способный читать научно-популярные книги. Но ученый любопытен и не собирается останавливаться на достигнутом.

Биолог отправляется в путь – к моменту возникновения самого первого нейрона, основы всей нервной системы. В эти самые секунды около 80–90 миллиардов нейронов, из которых состоит ваш мозг, коммуницируют посредством 100 миллиардов соединений[9] и координируются друг с другом, чтобы вы могли прочесть эту главу. Они отвечают и за дыхание, и за множество других жизненно важных физиологических процессов.

Путешествие нейробиолога еще далеко от завершения, ведь история мозга на этом не заканчивается. И действительно, гены, позволяющие нейронам приходить в состояние возбуждения и передавать электрический импульс, возникли задолго до того, как пикайя использовала свои ганглии, чтобы передвигаться наподобие волны. И даже задолго до того, как первые нейронные сети сформировались в студенистой плоти первых медуз. И, само собой, до того, как возникли многоклеточные организмы.

Гены путешествуют во времени, переходя от одной особи к другой на протяжении многих поколений, и некоторые ведут свой путь из глубин истории. Возраст горстки генов, необходимых для передачи электрического импульса нейронам, может насчитывать… четыре миллиарда лет.

Семантическое отступление

Итак, прервемся на паузу. Читая эти строки, вы можете решить, что за этим неотвратимым движением от простого к сложному кроется чья-то невидимая рука, но в природе дело обстоит иначе. С одной стороны, эволюция не всегда стремится к сложности. Анатомия паразитов, которые представляют 40 % всех видов, существенно упрощается на протяжении поколений, как и их нервная система. С другой – и мы в этом еще убедимся на страницах книги – эволюция всегда движется методом проб и ошибок, это череда слепых процессов, которые в итоге разрешаются организованными системами только по той причине, что все это действо растягивается на очень продолжительное время.

Проблема в том, что наш язык укоренен в нашей повседневности, которая ориентирована на то, чтобы достичь целей: мы действуем с целью получить что-либо взамен, почти за каждым нашим действием стоит какая-то причина. То есть наша речь не очень подходит описывать те слепые процессы, которые не «знают», к чему они движутся, хотя в этой книге вы часто будете встречать формулировки с оттенком некой завершенности: «с течением эволюции возникло такое-то свойство…» или «этот организм в своем развитии движется к тому-то…»

Хотя я стараюсь по возможности избегать этих формулировок, не забывайте, что это скорее те ограничения, которые отличают наш способ выражать мысли, чем истинное описание процессов в природе! Гены не развиваются для чего-либо, бактерии ничего не хотят, но гораздо проще написать именно это, чем выдумывать витиеватые перифразы. На этом покончим с отступлением.

Электрические бактерии

Гюроль Сюэль – исследователь Калифорнийского университета в Сан-Диего, он изучает биопленки из бактерий. В последние годы взгляд на бактерии как на обособленные организмы уступил место новой интерпретации: теперь мы знаем, что они способны организовываться в сообщества, в так называемые биопленки. Эти тонкие слои, состоящие из миллиардов особей, находятся повсюду: в океане, в нашем водопроводе, на листьях деревьев и даже на зубах в виде налета[10]. Сообща бактериям проще противостоять враждебной среде с помощью разделения труда: бактерии на поверхности выполняют функции защиты, а бактерии под ней берут на себя питание. Но любое сообщество требует коммуникации, и в 2015 году команда во главе с Гюролем открыла, что в пределах пленки бактерии способны общаться посредством электрических импульсов.

Бактерии вырабатывают ионы калия благодаря каналоподобным белкам, расположенным в их стенках. Затем ионы калия перемещаются к бактериям по соседству, которые выделяют еще больше ионов калия, и сигнал постепенно доходит до клеток на периферии.

Благодаря этому электрическому сигналу они передают информацию, которая используется, чтобы заморозить механизмы дупликации их сестер, когда запасы пищи подходят к концу. Эта система коммуникации бактерий является прообразом механизмов, действующих в нейронах[11]: в мозге человека они передают электрические сигналы, высвобождая (среди прочего) ионы калия за пределы клетки! Это создает разницу в электрическом заряде между внутренней и внешней частями клетки, и эта разница в полярности проходит через мембрану от одного конца нейрона к другому.

Этот сложный механизм, потенциал действия, работает благодаря каналам, похожим на те, которые высвобождают калий у бактерий. Эти каналы встречаются у всех живых организмов на планете: растений, грибов, животных, бактерий и так далее.

Биопленка глазами художника

Другими словами, эволюционное происхождение механизма в основе процесса чтения, которым вы заняты прямо сейчас, восходит к нашему общему с бактериями предку, который существовал несколько миллиардов лет назад.

Если взглянуть на этот факт с такого ракурса, то он заслуживает восклицания «Эврика!», как и любое откровение: вы же вот прямо сейчас читаете буквы, которые создают целую фразу! Ваши нейроны, объединенные в сложные специальные зоны, каждую секунду высвобождают ионы калия, как это делали наши предки миллиарды лет назад… и все это происходит при помощи тех же самых белков.

От одной мутации к другой возникали всё новые свойства, некоторые из них проходили отбор, одноклеточные организмы становились многоклеточными, развивались новые нейроны и так далее.

И одновременно со всем этим один ледниковый период сменялся другим, метеориты опустошали целые континенты, а извержения супервулканов изменяли состав атмосферы нашей планеты. Затем образовались нейронные сети – сначала простые, а затем сложные, голова, мозг, специализированные области, – и вот все это наконец проходит перед вашими глазами при помощи замысловатых черточек на клочке бумаги…

Свойства старше нас

Все вышеизложенное – лишь попытка очертить ту глубину времен, из которой происходят такие свойства человеческого организма, как мозг или нейроны. На самом деле любая другая часть нашего тела может рассказать подобную историю. Наш пищеварительный тракт, наши глаза, кожа и зубы также следовали невероятными эволюционными траекториями, пока мы наконец не приобрели их в нынешнем виде. На самом деле то же самое можно сказать о любом признаке любого другого живого существа на планете. Листья папоротника, вомероназальный орган у рептилий и млекопитающих, который реагирует на феромоны, ротовые органы тихоходок в виде стилетов – все эти органы формировались постепенно, и их происхождение в большей или меньшей степени соотносится с нашим.

Изучая происхождение унаследованных организмами свойств, на самом деле мы проливаем свет на их родство. Наша нервная система делит свое происхождение с нервной системой позвоночных и еще шире – всех животных, но также восходит и к бактериям докембрия.

Урок эволюционной биологии, а особенно того ее раздела, который занимается построением родственных связей между всеми живыми существами (филогенетики), стоит того, чтобы задуматься над ним. Например, именно благодаря ему мы знаем, что бумага, на которой напечатана эта книга, является переработанной частью нашего дальнего родственника, с которым мы разошлись 1,5 миллиарда лет назад.

То же самое относится к организмам, которые прямо в эти секунды прыгают по вашим ресницам, – они тоже наши дальние родственники – или любому другому живому существу на планете. У вас есть общий предок с молотым кофе, который вы утром залили кипятком, с бактерией, ответственной за ваше последнее пищевое отравление, и так далее: в конечном счете, мы все имеем общего предка. Все живые существа принадлежат к одному гигантскому генеалогическому древу, корни которого уходят в саму жизнь – вплоть до универсального предка всех современных форм жизни.

Сопоставив гены, общие для всех организмов, мы можем не только представить себе, как выглядел этот последний универсальный общий предок (LUCA, Last Universal Common Ancestor), но и определить, когда он жил. По последним подсчетам, его возраст составляет 4,5 миллиарда лет назад, то есть он приходится на катархейское время.

Этот кошмарный период, когда поверхность Земли была изрыта метеоритами, окутана невыносимой жарой и пропитана всепроникающей радиацией, был родным домом для нашего нереально крутого предка – все эти условия совершенно не мешали ему процветать и размножаться. С тех пор его потомки приобрели множество биологических способностей (некоторые, например, позволяют нам читать), и я считаю, что уже просто быть звеном этой непрерывной цепи живых существ, участвовать в этой генной эстафете, которая не прерывается уже несколько миллиардов лет, – факт решительно невероятный.

2. Мы ничего не знаем о жизни

Что такое жизнь? Все просто: это все то, что живет, как и мы с вами. И тем не менее большинство ученых и по сей день продолжают ломать голову над этим вопросом.

Некоторым людям повезло освоить профессию с очень классным названием: офицер планетарной защиты. Их задача – следить за тем, чтобы различные объекты, которые мы отправляем на другие тела Солнечной системы (зонды, планетоходы и всякие накрахмаленные флаги[12]), не несли на себе земные организмы и не загрязняли их земными формами жизни. Поэтому большая часть их рабочего времени уходит на стерилизацию каждой детали тех объектов, которые отправятся «наверх», – особенно тех, что полетят к тем небесным телам, где могут обитать формы жизни, отличные от нашей: Марс, Энцелад[13] или Европа[14].

Действительно, существует нравственный аргумент в пользу защиты космических объектов от потенциального загрязнения земными организмами. Некоторые даже считают, что для того, чтобы избежать малейшего риска, стоит вводить космический карантин[15] наподобие «Первой директивы» в сериале «Звездный путь». Она подразумевала бы запрет на отправку зонда до тех пор, пока мы не будем на 100 % уверены, что мы не вмешиваемся таким образом в развитие других форм жизни. Персонажи «Звездного пути» столько же раз отстаивают это правило, сколько и нарушают его, и мы тоже не колеблемся перед отправкой в космос самых разных роботов. Но нас должен беспокоить другой, более земной вопрос: а сможем ли мы распознать иную форму жизни, если она окажется прямо перед нами?

Блюз астероида

В 1976 году полозья аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2» коснулись красного гравия планеты Марс. Путешествие к красной планете заняло около года, после чего каждый робот приступил к четырем различным экспериментам. Однако у всех них была одна цель – собрать для исследователей достаточно информации для ответа на главный вопрос: есть ли жизнь на красной планете?

На борту обоих «Викингов» находились хроматограф и масс-спектрометр – инструменты для химического анализа грунта и обнаружения в нем органических молекул. Инструментами измеряли перенос газов между почвой и атмосферой (дышат ли марсиане?), способность этих гипотетических организмов к фотосинтезу, а также есть ли метаболизм у марсиан.

Результаты «Викингов» были отрицательными.

С тех пор другие роботы искали или продолжают искать следы биологической активности в марсианской химии, но пока инопланетяне предпочитают держаться в тени.

Жизнь? Ну это типа все живое…

Но достаточно ли точны эти измерительные приборы? В конце концов, если другие формы жизни развивались независимо от жизни на Земле, они могут радикально отличаться от нас.

Настолько отличаться от нас, что все наши измерительные инструменты вместе взятые не смогут их вычислить.

Если задуматься, то, когда мы отправляемся на поиски живого организма, мы строим гипотезы о его функциях, предполагаемом метаболизме, молекулах, которые он должен выделять в окружающую среду. И мы строим эти гипотезы на том основании, что все эти организмы сопоставимы с тем, что нам уже известно… а все наши знания могут оказаться ошибочными.

Ведь параллельная эволюция могла наделить марсиан совершенно иным метаболизмом, обнаружить который не могут все инструменты НАСА. Кто знает, может, спускаемые аппараты просто-напросто раздавили живые организмы, и никто этого не заметил, потому что наше представление о «живом» было построено по примеру земных организмов и применимо только к нашей собственной планете.

Короче говоря, если завтра мы споткнемся об инопланетянина, то вполне вероятно, что мы даже не поймем этого. И отсюда проистекает очевидный вопрос: а есть ли у нас точное всеобъемлющее определение жизни?

Ответ очевиден: нет. Ну вот, пожалуйста.

Странное утверждение. В конце концов, на интуитивном уровне мы знаем, когда перед нами находится живой организм, и можем описать его свойства: он состоит из клеток, растет, движется, размножается, осуществляет обмен веществ, является термодинамической системой, которая тратит энергию на создание локального порядка, он эволюционирует по дарвиновскому принципу с течением времени и так далее.

Сайгак сильнее тебя

Разберем следующий пример.

Не так далеко от космодрома Байконур в Казахстане живут сайгаки (Saiga tatarica). Эта азиатская антилопа представляет собой результат невероятного эксперимента по скрещиванию газели и современного пылесоса. Ее морда сильно вытянута и свисает над ртом, придавая ей комически симпатичный вид. Считается, что эта особенность позволяет ей согревать перед вдохом воздух во время суровых зим в степи.

Летом 2015 года половина всей популяции сайгаков внезапно погибла.

После тщательного исследования ученые пришли к выводу, что эпидемия, уничтожившая этих травоядных в таком количестве, оказалась бактериального происхождения. Pasteurella multocida – обычно совершенно безвредная бактерия в пищеварительном тракте антилоп – внезапно превратилась в смертоносный патоген. Причем никто так и не догадался, по какой причине. Сложно спорить с тем, что антилопа является живым существом, то же самое касается и бактерии. Оба организма питаются, размножаются, ощущают окружающую среду при помощи фоторецепторов (чтобы решать, куда идти/плыть), гравитационных рецепторов (чтобы распознавать, где верх, а где низ), болевых рецепторов (чтобы распознавать токсины) и так далее. Они обладают молекулой ДНК, используют сахар в качестве источника энергии; короче, сайгаки и бактерии – живые существа. Настаивать на противоположном – занятие для бездарных философов и далекое от интересов полевых биологов.

Как раз напротив.

Сколько определений, (почти) столько и видов

Термин «биология» существует с самого начала XIX века, и за два столетия исследователи так и не смогли договориться о таком определении жизни, которое устроило бы всех. Само собой, вместо этого они придумали больше сотни разных определений! Помимо Аристотеля, физика Эрвина Шрёдингера, биолога Жака Моно, а также астрофизика и популяризатора науки Карла Сагана, довольно много людей предлагали им свою помощь, всякий раз надеясь, что вот следующее определение уже наверняка будет хотя бы чуть более универсальным и финальным… но этого так и не случилось. Даже хуже: вполне возможно, что дать определение жизни «либо невозможно, либо бесполезно», как однажды написал философ Эдуар Машери.

Обратимся к предыдущему определению: живое существо состоит из клеток, обладает жизненным циклом, поддерживает гомеостаз, осуществляет метаболизм, растет, адаптируется к окружающей среде, реагирует на раздражители, размножается и эволюционирует. Но эти критерии оставляют за скобками отдельные исключения. А как насчет мула, стерильного гибрида осла и лошади, который неспособен размножаться? Он кажется вполне себе, хотя и не отвечает одному из основных критериев определения жизни.

И наоборот, лесной пожар поглощает и преобразует энергию для движения, роста и размножения, соответствует всем пунктам из списка метаболического определения жизни и все же не является в полном смысле слова живым существом.

А как насчет смоделированной компьютером игры в жизнь, алгоритмов, которые развиваются in silico, на кремниевом уровне, поколение за поколением или, скорее, один процессорный цикл за другим?

Другая проблема возникает при таких попытках подобрать универсальное определение: мы определяем эти свойства на примерах того, что, как мы точно ЗНАЕМ, живо. Мы берем человека, собаку или рыбу-каплю[16] (Psychrolutes marcidus – для тех, кто в теме), а дальше мы просто смотрим, что это существо делает.

Каждое из перечисленных выше живых существ обладает набором клеток, движется, растет, размножается и так далее, то есть является живым организмом в широком смысле слова. Проблема заключается в том, что с помощью этого метода мы не всегда можем распознать организмы, которые функционируют по другим правилам, даже если они (возможно) вполне живы.

Растения, которые живут в довольно трудно воспринимаемом ритме, можно наивно назвать «неживыми», как и кораллы, которые легко принять за цветные камешки. Водоросли, биопленки из бактерий или грибы, которые на первый взгляд могут показаться мусором, ставят нас перед той же проблемой. Паразиты, повинные в наших болезнях, простейшие или бактерии, тоже довольно долго ждали, чтобы их признали живыми.

Короче говоря, понять основные правила, опираясь на отдельные наблюдения, – идея так себе, и наша интуиция в этом деле нам не помощник.

Не совсем живой мир

Проблема приобретает еще более серьезные масштабы, когда мы сталкиваемся с организмами, которые были открыты совсем недавно и больше не укладываются в «классические» определения живых существ. Само собой, больше всего спорят о вирусах, поскольку они не имеют клеток и представляют собой обрывки нитей ДНК или РНК, защищенные капсидом. Но есть и другие внутриклеточные организмы размером в несколько нанометров, которые также балансируют на грани общепринятого понятия жизни.

В 1950-х австралийские офицеры патрулировали Восточное нагорье Папуа (в те времена это была колония), когда они обнаружили, что племя форе поражено странной болезнью. У людей возникали проблемы с мышечной координацией, они едва держались на ногах, разражались неконтролируемым смехом, в итоге переставали двигаться и умирали.

Это страшное нейродегенеративное заболевание получило название куру. Его можно сравнить с болезнью Крейтцфельдта – Якоба: мозг поражает частица, которая называется прионом. Жившие в Папуа форе получали прионы через ритуальный каннибализм, поедая мозг умершего родственника. Этот обычай способствовал эффективному распространению вирусной частицы среди населения. Принятые властями санитарные меры постепенно искоренили болезнь.

Однако самое удивительное во всей этой истории – природа самой частицы, приона.

Подобно остальным вирусам, «живая» природа этого образования вызывает много споров, и сам его механизм еще очень плохо изучен. Известно, что это белок, который спирально складывается различными способами, и некоторые его патогенные конформации «загрязняют» другие белки, заставляя их складываться так же, как и он. Они в свою очередь тоже становятся патогенами и заставляют другие белки принимать ту же структуру и так далее. Этот весьма оригинальный процесс размножения не требует сложных клеточных механизмов. Поэтому прионы могут быстро распространяться без участия ДНК!

Споры вызывают и другие биологические объекты. Являются ли живыми сателлиты, плазмиды и транспозоны – обрывки ДНК или РНК, интересы которых могут расходиться с интересами их носителя? Но самый удивительный пример – это вироиды, свободные кольцевые нити РНК, которые используют клетки других организмов. Эти молекулы представляют собой последовательности всего из нескольких сотен нуклеотидов, которые размножаются, подобно паразитам. Здесь нет клеточного механизма, есть только строка молекулярного кода, который воспроизводится на протяжении тысяч, миллионов, миллиардов лет. Мы ничего не знаем ни о них самих, ни об их истории. Существовали ли они в этой форме с момента зарождения жизни или являются результатом предельного упрощения организма-предка? Пока никто не может ответить на эти вопросы.

В любом случае строить определения на примере самих себя – метод довольно бесполезный, когда нужно описать нечто совершенно на нас не похожее. То, что похоже на нас, входит в группу, но пытаться классифицировать то, что находится на периферии… ну, это уже посложнее.

Великое произведение биосферы

На самом деле эта проблема напоминает трудности, с которыми столкнулись алхимики XVI века, пытаясь определить понятие «вода». В те времена еще не существовало молекулярной теории, которая позволяла бы классифицировать молекулы в соответствии с их атомным составом. Поэтому воду определяли не как «один атом кислорода и два водорода» – у нее было гораздо более размытое понятие, обернутое в прилагательные, которые описывают растворимость, цвет, плотность. А ученые пытались придумать чистое, идеальное определение, набор прилагательных, которые могли бы полностью охватить понятие «вода» – как мы сегодня пытаемся полностью охватить понятие «жизнь».

Таким образом, различали «крепкую воду» (aqua fortis), «королевскую воду» (aqua regia) и «живую воду» (aqua vitae). По иронии, ни одна из этих вод не состояла из молекулы H₂O: крепкая вода – это азотная кислота, королевская вода – смесь азотной и соляной кислот, а живая вода – это, само собой, крепкий алкоголь.

Биолог, который попытался бы определить жизнь так же, как алхимики в свое время пытались определить воду, называя ее самые очевидные свойства, был бы неправ. Невозможно сформулировать точное определение жизни без эквивалента молекулярной теории, которая в итоге позволила описать воду.

Вместо того чтобы классифицировать живых существ с помощью перечня минимальных свойств, мы можем опробовать другой подход и попытаться найти более рациональную теоретическую почву. Короче говоря, нам нужна общая теория биологических систем. Слишком расплывчато? Ничего страшного. Главная сложность в том, что сейчас нам известна только одна разновидность жизни. Если мы проследим родословную всех ныне живущих видов вплоть до их общего предка[17], мы обнаружим только объекты, наделенные общими характеристиками: общая наследственность (ДНК), схожие химические процессы и так далее. Мы никогда не сможем определить, что именно делает объект «живым», сравнивая эти виды и не связывая автоматически жизнь со свойствами этих видов.

Другими словами, чтобы создать общую теорию биологических систем, нужно опираться на те формы жизни, которые эволюционировали действительно независимым образом.

В поисках параллельных форм жизни

Существует множество направлений: например, некоторые исследователи рассматривают гипотезу мира РНК. Она предполагает, что до тех пор, когда наша биосфера стала состоять из клеток, первые формы жизни состояли из РНК. Эта молекула может содержать информацию, которая передается от поколения к поколению, и осуществлять метаболические процессы (как сегодня это делают протеины). Согласно этой гипотезе, мир был заполнен самовоспроизводящимися молекулами, которые развивались по дарвиновским принципам. Иначе говоря, это действительно отличная от нашей форма жизни!

Но есть и гораздо более экзотический путь: искать другие формы жизни… за пределами Земли! Через сорок пять лет после первых аппаратов «Викинг» метод по-прежнему заключается в поиске молекул, которые могут быть признаками жизни. Открытие фосфина в атмосфере Венеры наделало много шума, поскольку это вещество считалось свидетельством биологической активности[18], в то время как Марс привлек всеобщее внимание после обнаружения на нем метана. Эта молекула встречается только в определенных местах и в определенное время года – тоже признак возможной биологической активности. Для сравнения: проект Европейского космического агентства (ЕКА) «ЭкзоМарс» должен стартовать по направлению к Красной планете в 2022 году. По этому случаю на его поверхность будет спущен марсоход «Розалинд Франклин», перед которым поставят задачу искать в марсианской почве следы существования в настоящем или прошлом биологической жизни. Осуществляться она будет при помощи мощного бура длиной в два метра. Этот марсоход присоединится ко многим другим, уже присутствующим на планете, пока занятой только роботами и, как это ни парадоксально, являющейся лучшим местом для поисков альтернативных форм жизни.

Философам тоже хватит работы: даже если в будущем спускаемым аппаратам удастся обнаружить новые доказательства биологической жизни за пределами нашей планеты, ответить на вопрос о том, являются ли они формой жизни, параллельной по отношению к нашей, без философского подхода к проблеме просто не удастся. И как только они разберутся с этой загадкой, им придется перейти к связанным с ней этическим вопросам. Должны ли мы терраформировать их планету? Разрабатывать их среду обитания? Колонизировать их биосферу? Или защищать среду их обитания как зоопарк на карантине?

Будем надеяться, что, когда мы перейдем к активному освоению космоса вкупе со всеми потенциально необратимыми последствиями, у нас уже будут готовые ответы на эти вопросы!

3. Почему мы умираем?

Люди не любят умирать. И, как ни странно, эволюция ничего не сделала для решения этой проблемы… и на то есть причина.

Учитывая тему, этот раздел будет более философский, чем остальные, так что готовьтесь к серьезным откровениям.

Вот первое: люди не очень любят умирать. Умирать – это отстой.

Вы предупреждены, если что.

Самое древнее литературное произведение, которое дошло до наших дней, «Эпос о Гильгамеше», было написано 4000 лет назад. Половина произведения посвящена рассказу о том, как герой, Гильгамеш, ищет бессмертие, чтобы избежать участи его друга Энкиду.

Со стороны старость выглядит очень странно: все процессы, поддерживавшие организм, постепенно перестают функционировать без видимых причин до тех пор, когда тело уже не может обеспечить собственное существование. Очень просто встать в позу фаталиста и изречь: «Мы умираем, потому что так нужно», – но тогда мы упускаем случай задаться интереснейшим научным вопросом: почему же каждая жизнь неизбежно заканчивается смертью[19]?

Что такое смерть?

Прежде всего небольшая справка: здесь мы говорим о старости, или, на жаргоне биологов, о физиологическом старении. Остановка жизненных функций в результате несчастного случая, который привел к смерти, не является частью нашего вопроса. В этом разделе мы попытаемся понять, почему все организмы на нашей планете однажды умирают, даже если они прекрасно защищают себя.

Почему мы стареем? И почему наши органы не способны бесконечно восстанавливать сами себя? Почему запас наших сил истощается и почему мы умираем? На эти вопросы можно ответить по-разному – в зависимости от уровня наших рассуждений и от того, с кем мы их обсуждаем.

Клетка может удваиваться ограниченное число раз, затем сами механизмы деления перестают работать. В 1960-е годы Леонард Хейфлик дал этому пределу свое имя, доказав, что каждая клетка человеческого эмбриона способна удваиваться 40–60 раз до тех пор, пока этот процесс не остановится навсегда. Одно из объяснений этого процесса связано с теломерами – концевыми участками хромосом, которые состоят из повторяющейся последовательности нуклеотидов.

У человека эти теломеры представляют собой повторение последовательности TTAGGG 2500 раз. Они не кодируют белки, но их присутствие предотвращает случайное слияние хромосом друг с другом и ограничивает их разрушение. Когда клетка дублируется посредством митоза, сначала происходит репликация ДНК. При каждой такой репликации ответственные ферменты не достигают конца теломер, и некоторые из них становятся немного короче. Эта редукция соотносится с так называемым пределом Хейфлика, но есть и другие процессы, вызывающие постепенное старение клеток.

Концы хромосом, теломеры, сокращаются с каждым циклом клеточной дупликации

В статье, опубликованной в научном журнале в 2013 году под заголовком «Признаки старения» (The Hallmarks of Aging), группа европейских исследователей описала девять механизмов, которые заставляют клетки стареть. К ним относится рост вредоносных мутаций в ДНК, то есть ошибок, которые возникают в момент репликации. Другая причина – дисфункция митохондрий, эти органеллы находятся внутри наших клеток и снабжают их энергией, которую извлекают с помощью преобразования глюкозы. Беспощадная логика этого процесса такова: изнашивание клеток в конце концов отражается на состоянии органов, которые начинают слабеть, ведут организм к старению и в итоге – смерти.

Но все эти причины, связанные с изнашиванием механики тела, носят лишь функциональный характер, то есть объясняют, не почему наступает старость, а как. Проще говоря, это все равно что попытаться объяснить причину несчастного случая с участием автомобилиста, измеряя плотность дерева, в которое он врезался. Окей, его действительно убило столкновение с деревом, но настоящие причины лежат в другой плоскости. То же самое со старением.

В чем смысл смерти?

Для биолога очевидно одно: в ДНК накапливаются мутации, ошибки, которые в конце концов убивают организм, но в то же время существуют и ферменты, способные его восстановить. Наш организм действительно способен на впечатляющие подвиги из области регенерации (особенно в младенчестве), что касается и теломеров: так, существует фермент (обратная транскриптаза), способный их удлинять.

Возникает следующий вопрос: почему эти восстановительные процессы перестают работать?

Нас интересует конечная причина старения, глубинная причина смерти. Хотя физиология объясняет нам сам механизм, она не дает нам ответ на вопрос «почему». Именно в этот момент нам на помощь приходит эволюционная биология.

Многих эволюционных биологов вопрос «Почему мы умираем?» интриговал уже с конца XIX века. Всего через несколько лет после смерти Дарвина Август Вейсман, который также считался одним из самых влиятельных биологов своего века, попытался сформулировать теорию. По его мнению, люди стареют и затем умирают, чтобы просто освободить дорогу молодым. Ну да. Справедливости ради отметим, что в конечном счете он отказался от этого объяснения по простой причине: его теория предполагает существование некой цели, программы, которой стремятся следовать все организмы. Но эволюция – это слепой процесс, лишенный определенной заранее цели: особи, обладающие наиболее выигрышным для размножения набором свойств, в итоге производят больше потомства. Им, в свою очередь, передаются те же самые свойства, которые позволят им более эффективно размножаться.

Естественный отбор дает основу для толкования свойств живых организмов. Проблема теории Вейсмана заключалась в том, что она не помогала понять, каким образом старение могло быть отобрано в ходе эволюции. С помощью какого механизма особи, умирающие первыми, могут размножаться эффективнее других? Почему старость является биологическим свойством, дающим какие-либо преимущества ее носителям перед теми, кто ее не испытывает? Эти вопросы долго оставались без ответа.

Эволюция выбирает смерть

Ответ в конце концов дал именно естественный отбор – или скорее отсутствие естественного отбора. По прошествии достаточного количества времени (и поколений) отбор может удалить неблагоприятные мутации, которые вызывают проблемы в конце жизни, либо отдать предпочтение особям, у которых восстановительные процессы действуют даже спустя долгие годы существования. Считается, что отбор действует как своего рода «контроль качества», который властвует над организмами в течение миллиардов лет. Однако в первой половине XX века два генетика выявили интересный феномен: судя по всему, этот контроль качества утрачивает свою силу по мере старения организма…

В 1941 году британский генетик Дж. Б. С. Холдейн изучал страшную болезнь Хантингтона. Она проявляется в дегенеративных процессах нервной системы, вызванных мутацией определенного гена; Холдейн пытался понять, почему естественный отбор не ликвидировал эту мутацию. Заметив, что симптомы болезни обычно проявляются приблизительно в возрасте 35 лет, он предположил, что она связана с ослаблением естественного отбора в конце жизни. Наши предки редко жили дольше 40 лет, поэтому за всю историю эволюции избавление от мутации, вызывающей болезнь Хантингтона, не давало никаких преимуществ.

Десятилетие спустя лауреат Нобелевской премии Питер Медавар сформулирует эту мысль в эссе «Нерешенная проблема биологии» (An Unsolved Problem of Biology). В своей статье он утверждает, что в геноме каждого человека в течение всей жизни накапливаются всевозможные вредные мутации (помимо вызывающих болезнь Хантингтона) и эти мутации не подвергаются естественному отбору. Другими словами, «фильтр» с возрастом меняется: более молодые обладают оптимальными возможностями для выживания и размножения, в то время как более старым уже ни на какую оптимизацию рассчитывать не приходится.