Космос

Саган Карл

Вскоре после кембрийского взрыва океаны уже кишели многочисленными и разнообразными формами жизни. Около 500 миллионов 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 различить поляризацию света. Однако в наши дни живых трилобитов больше нет; вот уже 200 миллионов 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. 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 оставляют ископаемых останков. 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 десяти миллионов 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 миллионах километров от нас.

Известны десятки миллиардов типов органических молекул. Но лишь около пятидесяти из них 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 – протеинах, 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 протеины, некоторые в состоянии бешеной активности, другие – в ожидании чего-то. Самые важные протеины – энзимы. Эти молекулы управляют химическими реакциями в клетке. Энзимы 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 энзимы 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.

Просочась сквозь поры 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 четыре миллиарда 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.

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

Эволюция совершается через мутации и отбор. Мутации могут происходить в ходе репликации ДНК, когда энзим 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 четыре миллиарда 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 приметы адаптации.

Изменение в отдельном нуклеотиде ДНК приводит к изменению одной аминокислоты в протеине, 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 десяти миллиардов, составляющих ДНК типичной человеческой клетки. 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 протеины в роли энзимов. Но самое главное, для перевода информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, в информацию протеинов используется одна и та же кодовая книга, общая практически для всех живых созданий на планете [20] . Обычно это молекулярное единство объясняют тем, что все мы: деревья и люди, морской черт (удильщик) и плесенный 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?

20

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 протеинов 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. – Авт.