Биография в десять миллиардов лет 16 страница
Впрочем, закоренелый скептик скажет, что все это эмпирические данные, поскольку мы не знаем, какие требуются шаги, чтобы перейти от простых углеродосодержащих молекул к живой материи. Однако молекулярные связи позволяют прямо и непосредственно объяснить, что произошло на Земле, и это объяснение прекрасно согласуется с нашими наблюдениями над окружающей Вселенной. Подробности зарождения жизни на нашей планете не так уж и важны: углеродосодержащих молекул во Вселенной так много, что земная биохимия не вызывает ни малейшего удивления. Это не более чем составная часть весьма разнообразной химической сети, пронизывающей все мироздание.
Более того, земные палеонтологические данные указывают на то, что микроскопические живые существа возникли по геологическим меркам очень быстро. Похоже, это произошло сразу после последних крупных событий в формировании планеты. Теперь мы знаем, что химические кирпичики живой материи (сахара, спирты, аминокислоты и более сложные углеродосодержащие структуры) присутствуют и в протопланетных системах. Не исключено, что весь этот материал сыплется на поверхности юных планет, которые представляют собой великолепные инкубаторы для органических соединений. Иными словами, получить первичную смесь, из которой может возникнуть жизнь, проще простого. Этот факт не объясняет всего того, что произошло потом, однако служит очевидной отправной точкой.
|
|
|
Ко всему этому мы еще вернемся, когда будем разбираться, ответы на какие вопросы позволят нам оценить собственное значение в мироздании, однако мне хочется особо подчеркнуть два обстоятельства. Во-первых, геохимический состав Земли постоянно перерабатывается вездесущими циклами взаимосвязанных процессов, которые приводятся в движение триллионами триллионов молекулярных механизмов, составляющих основу микроскопической жизни, а микроскопическая жизнь, в свою очередь, сохраняет «чертежи» этих механизмов с течением времени. Во-вторых, весь этот микрокосм, судя по всему, связан с широким распространением во Вселенной углеродосодержащих молекул и с тем, что корни всех физических и химических структур лежат в водородном газе, возникшем в самом начале существования Вселенной.
Думаю, что относительно подробностей метаболической машинерии у нас на Земле и относительно того, насколько она способна подстраиваться под нужды того или иного вида, остается еще много открытых вопросов. Развитие этой системы объясняется и ресурсами, которые были в ее распоряжении на нашей планете, и средой, которая помогала формировать процессы естественного отбора. В этом отношении эволюция была во многом случайной. Одно мы знаем наверняка: химическая среда на нашей планете в конечном итоге определяется историей формирования Земли из сгустившегося облака, размером нашей звезды, коллизиями при выстраивании планет по орбитам. Все, что мы знаем об экзопланетах, наталкивает нас на мысль, что другие планеты размером с Землю, возможно, необычайно разнообразны с химической и геохимической точки зрения.
|
|
|
А значит, разумно предположить, что метаболические процессы, которые широко распространены здесь, на Земле, на других планетах не всегда возможны. Подобным же образом вполне вероятно, что там идут реакции, которых у нас нет. Хороший пример дает нам изучение Титана, спутника Сатурна[151]. Температура там примерно –180 °C, поверхность покрыта жидкими углеводородами, – словом, такой химии, как на Титане, на Земле нигде не найдешь. Однако существует по крайней мере один довольно-таки очевидный метаболический процесс, который может идти на Титане и способен обеспечить живую материю полезной энергией. Это реакция водорода с ацетиленом. При температурах, при которых мы с вами живем здесь, на Земле, эта реакция – взрыв, производящий метан и много шума. На холодном Титане она невозможна без катализатора, зато в результате тихо и спокойно дала бы много энергии. Ученые уже размышляли о том, чтобы попытаться зарегистрировать эту реакцию и таким образом поискать на Титане признаки жизни. На первый взгляд идея безумная, однако не невероятная.
|
|
|
Отдельные подробности метаболических процессов могут быть разными, однако свидетельств в пользу того, что интегрированная система обмена веществ и геохимических изменений на Земле возникла случайно, очень мало. Напротив, как я уже говорил, судя по всему, это стойкая и надежная модель, которой вполне может руководствоваться любая действующая биосфера. Как же в нее вписываемся мы, люди? Жизнь в том виде, в каком мы ее воплощаем, развилась на основе микрокосма и до сих пор полностью интегрирована с ним: ведь именно от микромира всецело зависит и состояние окружающей среды на планете, и функционирование каждого из нас в отдельности. В какой степени это правда, мы только начинаем понимать, и об этом у нас и пойдет разговор.
* * *
Едва ли не самое революционное и неприятное для многих открытие в современной биологии состоит в том, что мы не индивидуальны в том смысле, в каком привыкли считать. На самом деле каждый из нас не «я», а «мы» – совокупность примерно из 10 триллионов эукариотических человеческих клеток, которые служат вместилищем и опорой для коллектива примерно из 100 триллионов отдельных микроорганизмов. Выводы, которые из этого следуют, поистине головокружительны и стремительно изменяют наши представления о человеческой физиологии и медицине. Добро пожаловать в тайный мир микрофлоры человека!
|
|
|
Большинство из нас не сталкиваются со своим микроскопическим багажом на непосредственном опыте. Мы не отбрасываем, словно шкуру, толстые слои микробов. Однако отчасти причина в том, что мы просто не видим эти организмы – они ведь маленькие, как и все прочие микробы, просочившиеся во все уголки нашей планеты. Клетка бактерии в десять раз меньше в поперечнике, чем наша собственная клетка, и совокупный вес наших микроскопических пассажиров, как полагает, у взрослого человека составляет меньше килограмма. Это около 1 % нашей личной биомассы. Однако это и в самом деле целый микрокосм, неведомый и неожиданный мир, в который впервые заглянул Антони ван Левенгук, когда в 1674 году собрал первый микроскоп, и у научного сообщества ушло еще 300 лет на то, чтобы в полной мере оценить значение этого мира. Каждый из нас, подобно капельке озерной воды под линзой Левенгука, носит в себе свою микроскопическую Вселенную.
Первые настоящие попытки составить перепись этой популяции микробов[152], живущих «вместе» с человеком, едва начались. Современные инструменты генетического анализа позволяют нам описать практически любую среду, оценив многообразие определенных общих генов – участков ДНК, которые прямо отвечают за ту или иную ключевую биологическую функцию. Это дает нам возможность исследовать не только океанское дно, но и ландшафты собственных плоти и крови, – и получить результаты, над которыми стоит задуматься, поскольку они позволяют нам по-новому взглянуть на наше положение в микрокосме и в космосе.
Рассмотрим, к примеру, кто живет у нас в легких[153]. По нынешним оценкам на каждом квадратном сантиметре затейливой внутренней поверхности дыхательных путей человека живет более 2000 отдельных микроорганизмов, которые принадлежат как минимум к 120 разным видам. Общая площадь внутренней поверхности здоровой пары легких взрослого человека составляет примерно 70 квадратных метров – площадь стандартного теннисного корта. Таким образом, общая численность представителей этих 120 видов в нашем организме приближается к 1,5 миллиардам отдельных особей (и вполне вероятно, что это число на самом деле гораздо больше).
До самого недавнего времени считалось, что наши легкие, по сути дела, стерильны. Когда у людей брали пробы ткани или слизи и пытались вырастить на них бактерии, это ни к чему не приводило. Теперь мы понимаем, что все дело в том, что эти микроскопические обитатели наших легких попросту не размножаются вне привычной среды. Для выживания им нужна именно такая ниша.
От этого вполне может стать немного не по себе – но то ли еще будет! Чтобы оценить происходящее, стоит напомнить себе о генетическом коде человека, об информации, которая содержится в длинных молекулах ДНК, упакованных в ядрах каждой из наших эукариотических клеток. Длиной эта последовательность примерно в 3 миллиарда знаков. Геном человека содержит 20–25 тысяч отдельных генов, которые кодируют белки, и кажется, что это довольно много, пока мы не взглянем еще на одно микроскопическое сообщество – на буйные джунгли, процветающие у нас в пищеварительном тракте.
В 2010 году группа европейских ученых объявила, что произвела генетическую перепись микрофауны человеческого желудка и кишечника[154]. Ученые обнаружили более 1000 отдельных видов организмов, а у них – примерно 3,3 миллиона генов, поразительное количество, примерно в 150 раз превышающее наш человеческий набор. Более того, сосредоточившись менее чем на 10 % всех видов бактерий в микрофлоре кишечника, биологи обнаружили в их генах около 30 000 кодов неизвестных ранее белков. Похоже, эти живые существа, расположившиеся в человеческом организме, располагают удивительно богатым и разнообразным арсеналом биологических механизмов.
И это прекрасно, поскольку чем лучше мы изучим свою микрофлору, тем лучше поймем, в чем можно на нее рассчитывать. Иногда выгода самая прямая. Например, Bacteroides thetaiotaomicron, бактерия, обнаруженная в пищеварительных системах многих животных, способна расщеплять сложные углеводы на гораздо более простые сахара и другие молекулы, которые организм-хозяин может потребить. Наш генетический склад не позволяет вырабатывать ферменты, способные справиться с этими углеводами. Напротив, эта бактерия способна производить просто ошеломляющее количество ферментов – целых 260! Именно она превращает нас в самых настоящих травоядных, которые могут переварить и усвоить все, что нам нужно, из всевозможных фруктов и овощей. А иногда зависимость от микробов не очень заметна, но все равно сильна – они влияют, например, и на то, как у нас включается чувство голода и сытости, и на сложнейшие химические взаимодействия, которые помогают стабилизировать и контролировать фундаментальные реакции нашей иммунной системы. Многие биологи даже предложили считать микрофлору еще одним важным органом человека. А некоторые считают, что отделять наши гены от генов микробов бессмысленно, их следует рассматривать как единое целое. И вполне может оказаться, что в этом есть здравое зерно. Кроме того, у микрофлоры есть еще одно свойство, которое выводит наш разговор на новый уровень: наши одноклеточные спутники обладают ярчайшей индивидуальностью.
Когда ученые исследовали все многообразие видов микробов, которые живут у нас в организме, и подвергли их современным методам генетического анализа, то обнаружилось, что состав микробиологического населения организма у разных людей разный. Причем все еще зависит от того, о какой части тела мы говорим – о кишечнике, легких, руках, ротовой полости или каких-то других укромных уголках.
Например, мы считаем, что по составу микрофлоры кишечника люди делятся на три основных типа[155] или – согласно биологической терминологии – энтеротипа. Похоже, это никак не связано ни с полом, ни с возрастом, ни с ростом и весом; насколько микрофлора зависит от места жительства на Земле, нам пока неясно.
Из этого открытия следует, что каждый из нас помечен невидимым микробиологическим ярлыком, который наверняка что-то говорит о наших личных характеристиках – от того, как мы перевариваем и усваиваем пищу, до биохимии нашего организма в целом. Поскольку наши кишечные бактерии играют столь важную роль – например, вырабатывают ферменты, помогающие синтезировать витамины, – состав конкретной популяции, которую мы в себе носим, должен влиять на самые фундаментальные механизмы выживания и естественного отбора. Если я – носитель микрофлоры определенного типа, вероятно, я буду чувствовать себя в тех или иных условиях лучше или хуже, чем мой друг, принадлежащий к какому-то другому энтеротипу.
Почему мы допустили, что нас колонизировали микробы, вполне понятно – без них мы не смогли бы функционировать, однако мы еще не знаем точно, как именно и в какой момент нашего жизненного цикла это происходит. Похоже, многое закладывается в первые дни жизни при контакте с другими людьми и с окружением. Кроме того, накапливается все больше доказательств, что микробы заселяют нас еще в утробе матери, а в процессе родов и грудного вскармливания мы усваиваем еще больше бактерий от матери и из окружающей среды. Однако что в конечном итоге определяет энтеротип, когда мы становимся взрослыми, и в какой степени он может меняться с течением лет, до сих пор загадка.
Несомненно, чем больше мы будем узнавать о своей внутренней биологической Вселенной, тем больше сюрпризов нас ожидает. Современные ученые подозревают, что даже личностные качества и черты характера, например, дружелюбие и агрессивность, определяются химическим влиянием состава микрофлоры человека: прямо-таки теневая «микробная душа»[156]!
Мы далеко не настолько «индивидуальны», как когда-то думали, и из этого следуют далеко идущие выводы. Это означает, что у нас неожиданно много общего с планетой под нашими ногами. Мало того, что именно микроскопические организмы почти 4 миллиарда лет формировали среду нашего обитания на Земле – наше функционирование и эволюция[157], оказывается, прямо зависят от базового генетического набора планеты, который заключен и в наших собственных клетках, и в клетках наших пассажиров-бактерий. Похоже, от законов микрокосма нас практически ничего не отделяет.
* * *
Все, что мы знаем о природе жизни на Земле, многое говорит как о нашем значении, так и о значении всей жизни на планете. Мы как отдельный вид организмов-эукариотов представляем собой частный случай жизни во всем ее многообразии, однако это не обязательно придает нам какой-то особый статус в микрокосме. Со многих точек зрения имеет смысл пересмотреть иерархию жизни на Земле – поместить микробов на самый верх, а не внизу. Ведь наши издавна привычные способы классифицировать и каталогизировать биологические виды – всего лишь следствие того, на какой стадии понимания и открытий мы находимся. Современная схема «древа жизни», основанная на генетическом анализе, уже вносит существенные поправки в иерархию.
По биологическим понятиям «главные» организмы на планете, существа, которые и в самом деле определяют конкретную природу и историю жизненного ансамбля, возможно, не самые «сложные». Самые влиятельные члены сообщества жизни – не многоклеточные животные и растения, а организмы, которые в наши дни пользуются этими более громоздкими конструкциями как передвижной одноразовой средой обитания. А это бактерии и археи, которые за миллиарды лет глубочайшим образом переработали химическую и физическую среду на планете.
Возьмем, к примеру, людей. Для бактерий и архей, которым мы служим домом, мы представляем собой удобную в употреблении, гибкую систему. Физиология заставляет нас искать пищу, более того, нас тянет и на ту пищу, которая обеспечивает питательными веществами наших пассажиров-бактерий. К счастью, анатомическая структура и мозг дают нам средства, чтобы добывать пищу. Мы умеем и охотиться, и выращивать растения. Со временем мы сумели наладить глобальные сети производства и транспортировки пищи – своего рода шведский стол – и даже научились хранить ее в особых защитных помещениях, чтобы у нас и у наших пассажиров ни в чем не было нужды.
Кроме того, наш аналитический мозг придумал очень хитрые механизмы для поддержания бесперебойного функционирования не только нас как индивидуумов, но и целых групп и колоний. Мы разработали средства, позволяющие и повысить шансы на выживание в ближайшем будущем, и значительно продлить себе жалкий «срок годности» – это и одежда, и отопление, и жилища, и даже медицина с фармацевтикой. Однако ради чего это на самом деле сделано? Ради наших собственных нужд или ради потребностей наших микроскопических повелителей, дергавших за ниточки естественного отбора?
В качестве забавного мысленного упражнения подумайте о том, как охарактеризовали бы нас какие-нибудь беспристрастные сторонние наблюдатели. Нетрудно представить себе, что весь наш вид сочли бы популяцией биороботов, которой повелевают одноклеточные. Разумеется, весьма сложных и затейливых биороботов. Если хочешь создать передвижное жилище, способное приспосабливаться к обстоятельствам, за это надо платить – придется предоставить ему определенную автономию. Мы и сами создаем сложных роботов, которые выполняют механические задачи – одни и те же, зато с колоссальной точностью. И при этом снабжаем их рудиментарными способностями принимать решения, чтобы они лучше работали и лучше нам служили.
Скажем, современный автомобиль битком набит компьютерными системами и алгоритмами, которые позволяют машине делать «выбор» в сложившейся ситуации, чтобы оптимально расходовать ресурсы и обеспечивать безопасность тех, кто находится в салоне. Марсоходы, которые мы отправили исследовать красную планету, обладают некоторой способностью определять качество пути, по которому они следуют по поверхности планеты. В них встроены механизмы, позволяющие обойти то обстоятельство, что сигнал идет до Земли и обратно не меньше 20 минут, а это непозволительно много, если ты оказался на грани катастрофы. Можно сказать, что подобная инженерная оптимизация напоминает ту, что мы обнаруживаем в собственной биологии.
Из идеи, что люди – всего лишь биороботы для микробов, прямо следуют всевозможные выводы, и это, разумеется, влияет не в последнюю очередь на современную теорию эволюции и на представление о механизмах биологии развития, а к тому же, очевидно, и на наше представление о самих себе как личностях. Это, конечно, просто вопрос, а не серьезная гипотеза, просто альтернативная точка зрения на наше значение на Земле, которое к тому же соответствует более широкой картине планетного микромира и базовых наборов генов. Не будем же мы предполагать, что микроскопические пассажиры, которым выгодно наше существование (как и существование любого многоклеточного вида), активно планируют и направляют наше эволюционное поведение! Нет, такое может сложиться лишь благодаря тесным симбиотическим или эндосимбиотическим отношениям, и тогда любые перемены вызываются обоюдной выгодой.
Однако подобные идеи прямо связаны с нашим главным вопросом о космическом значении и вселенской уникальности. Думаю, что совокупность ограничений, которые налагают на многоклеточные формы жизни химия и биология, и перспектив, которые они же перед ней открывают, отражают еще один закон природы. Вероятно, микробам вообще нужно командовать более крупными организмами. Это еще одна поправка к общему рецепту жизни, который мы с вами расшифровываем. Можно добавить эту оговорку к базовому генетическому набору планеты и к тому, как организуются метаболические процессы из вездесущих углеродосодержащих молекул, которые создаются непосредственно по глубинным законам природы.
Это означает, что хотя наша личная биология и обладает отдельными чертами, которые и в самом деле можно назвать уникальными, то обстоятельство, что сложившийся на Земле базовый набор генов планеты обеспечил возникновение таких существ, как мы, не то чтобы неожиданно – и не будет неожиданным и в любом другом уголке Вселенной. Это очень важное соображение, однако пока что не будем слишком в него верить, поскольку нам предстоит разгадать еще много загадок.
Например, мы – всего лишь капля в океане биохимических соединений, который пропитывает внешние слои и атмосферу Земли. А в нем, в этом царстве всевозможных молекул, есть множество других, еще не до конца понятых областей, в том числе бездна вирусов и сонмища прионов – неправильно сложенных белков, которые, возможно, представляют собой отстойник для биохимических ошибок или запчастей. И все они играют отведенные им роли в биологическом эквиваленте субатомного, то есть квантового, мира (хотя их масштабы и сравнивать нечего). Там постоянно передают, обменивают, вставляют и убирают и целые крупные молекулы, и обрывки генетического кода. Пока что мы не разобрались во всей этой механике, однако она наверняка определяла ход истории нашей планеты.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 139; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!