Текст книги "«Открытия и гипотезы» №3, 2012"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 8 страниц)

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. 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; появилось 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.

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. 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?

В лаборатории Корнелловского университета мы среди прочего занимались предбиологической органической химией, пытаясь сыграть отдельные ноты музыки жизни. Мы пропускали электрическую искру через смесь водорода, водяного пара, аммиака, метана, сероводорода – газов, составлявших атмосферу первобытной Земли. Все они, между прочим, присутствуют в наше время в атмосфере Юпитера и встречаются в космосе. Искра имитировала грозовые разряды, также характерные для древней Земли и современного Юпитера.

Первоначально сосуд был полностью прозрачен: исходные газы совершенно невидимы. Однако через десять минут пропускания через него электрических разрядов мы замечали странный коричневый налет, медленно оседающий на стенках сосуда. Постепенно толстый слой бурого дегтя совершенно скрывал происходящее внутри. При использовании ультрафиолетового излучения, имитирующего свет молодого Солнца, результат получался более или менее таким же. Деготь представлял собой чрезвычайно богатую смесь сложных органических молекул, включая составные части протеинов и нуклеиновых кислот. Оказалось, что получить материал, из которого построена жизнь, очень легко.

Подобные эксперименты впервые проделал в начале 1950-х Стенли Миллер, который был тогда аспирантом у химика Гарольда Юри. Юри приводил убедительные аргументы в пользу того, что в первичной атмосфере Земли, как и почти везде во Вселенной, преобладал водород, что впоследствии водород с Земли постепенно диссипиро-вал (рассеялся) в космос, чего не случилось на массивном Юпитере, и что жизнь возникла до того, как водород был потерян. После того как Юри предложил пропустить через подобную смесь газов электрический разряд, кто-то спросил у него, какие продукты он ожидает получить в таком эксперименте. Юри ответил: «Бейльштейна». «Бейльштейн» – это громадный 28-томный немецкий компендиум, перечисляющий все известные химикам органические молекулы.

Используя только наиболее широко распространенные на древней Земле газы и практически любой источник энергии, способный разрушать химические связи, мы смогли получить основные строительные блоки жизни. Но в нашем сосуде звучали лишь отдельные ноты музыки жизни, а не сама музыка. Молекулярные строительные блоки необходимо еще расположить в правильном порядке. Жизнь, конечно, нечто большее, чем аминокислоты, из которых состоят протеины, или нуклеотиды – составляющие нуклеиновых кислот. Но даже формирование из этих строительных блоков длинных молекул-цепочек являло собой значительный прогресс в экспериментах. В условиях, близких к тем, что были на древней Земле, аминокислоты объединялись в молекулы, напоминающие протеины. Некоторые из них могли, хотя и очень слабо, влиять на полезные химические реакции, подобно тому как это делают энзимы. Нуклеотиды составляли нити нуклеиновой кислоты длиной в десятки блоков. При благоприятных условиях в лабораторной пробирке короткая молекула нуклеиновой кислоты может синтезировать идентичную себе копию.

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

Подобно вирусам, они просто завладевают молекулярными машинами гораздо более крупной и хорошо работающей клетки и превращают ее из фабрики, производящей новые клетки, в фабрику вироидов.

Наименьшими из известных свободноживущих организмов являются плевропневмониеподобные организмы и близкие к ним. Они состоят примерно из пятидесяти миллионов атомов. Такие организмы, вынужденные в большей степени полагаться на себя, намного сложнее вироидов и вирусов. Однако сегодня земная среда обитания не слишком благоприятна для простых форм жизни.

Приходится много работать, чтобы выжить. Приходится беречься от хищников. Однако в начальный период истории нашей планеты, когда в богатой водородом атмосфере солнечный свет порождал огромное количество органических молекул, шансы выжить были даже у самых простых непаразитических организмов. Первым живым существом могло оказаться что-то вроде свободноживущего вироида длиной всего в несколько сотен нуклеотидов. Эксперименты по созданию подобных существ могут начаться уже в конце XX века. Многое еще предстоит понять о происхождении жизни, и в том числе – о возникновении генетического кода. Однако мы проводим подобные эксперименты всего лишь около трех десятилетий. У природы была фора в четыре миллиарда лет. Во всяком случае, мы продвигаемся довольно неплохо.

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

Но даже если инопланетная жизнь основана на той же молекулярной химии, что и у нас, вряд ли стоит ожидать появления организмов, похожих на те, что нам знакомы. Посмотрите, как невероятно разнообразны живые существа Земли, населяющие одну планету и имеющие общую молекулярно-биологическую основу. Те, другие животные и растения, вероятно, кардинальным образом отличаются от знакомых нам земных организмов. Возможны некоторые эволюционные параллели, поскольку не исключено, что та или иная задача приспособления к окружающей среде имеет единственное наилучшее решение – к примеру, что-нибудь вроде двух глаз для бинокулярного зрения в оптическом диапазоне. Однако в целом случайный характер эволюционного процесса должен сделать внеземную жизнь отличной от всего, что мы знаем.

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

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

Дабы показать, что жизнь вовсе не исключена на таких совершенно отличных от Земли планетах, мы с коллегой по Корнеллу Э. Э. Солпитером проделали некоторые вычисления. Конечно, мы не можем точно знать, на что будет похожа жизнь в подобном месте, однако нам хотелось рассмотреть, в рамках известных законов физики и химии, может ли мир такого типа в принципе быть обитаемым.

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

Флоатеры могут передвигаться в атмосфере, испуская струи воздуха, на манер реактивного самолета или ракеты. Мы воображали их скученными в огромные ленивые стада, которые простираются, насколько хватает глаз, с характерной защитной окраской, свидетельствующей, что они тоже сталкиваются с проблемами. Потому что в рассматриваемой среде существует по меньшей мере еще одна экологическая ниша – охота. Хантеры (от англ. hunter – охотник) – существа быстрые и подвижные. Они охотятся на флоатеров не только ради их органики, но и ради запасаемого ими чистого водорода. Пустотелые синкеры вполне могли эволюционировать в первых флоатеров, а самодвижущиеся флоатеры – в первых хан-теров. Хантеров не может быть слишком много, поскольку в противном случае они истребили бы всех флоатеров и погибли бы сами.

Физика и химия допускают существование таких форм жизни. Искусство наделяет их неким очарованием. Природа, конечно, не обязана следовать нашим умозрениям. Но если в Галактике существуют миллиарды обитаемых миров, то, возможно, среди них найдется несколько населенных синкерами, флоатерами и хантерами, которых мы выдумали, оставаясь в рамках законов физики и химии.

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

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

ТАЙНЫ ПОДЛЕДНОГО ОЗEPA

*********************************************************************************************

После трех десятилетий бурения ученые из Российской антарктической экспедиции довели скважину до озера Восток, скрытого подо льдом на глубине почти четырех километров.

Это озеро изолировано от атмосферы и биосферы в течение как минимум четырех сотен тысяч лет, а потому может обладать уникальной экосистемой. Исследователи предполагают, что в озере могут найтись бактерии, приспособившиеся к жизни в абсолютной тьме, при низкой температуре и высоком давлении.

Косвенные признаки таких микроорганизмов-экстремофилов ученые нашли еще несколько лет назад, когда до поверхности озера оставалось пройти более 100 метров.

О необходимости сохранения гипотетической экосистемы нетронутой, а озеро запечатанным – ученые говорили давно. Из-за этой проблемы бурение прерывалось в прошлые десятилетия. Нужно было разработать технологию проникновения в озеро без загрязнения его извне.

Такой способ был придуман в Арктическом и Антарктическом НИИ в 2000 году.

Вкратце он работает так: растущую скважину заполняют заливочной жидкостью – смесью керосина и фреона, которая изолирует озеро от внешнего мира. При этом вес столба жидкости недостаточен для компенсации давления в озере. Так что в момент проникновения бура в воду она начинает вытеснять керосин вверх по скважине.

В нынешнем году специалисты завершили бурение и достигли поверхности озера на глубине 3768 метров. Последние десятки метров скважины представляли собой фактически воду из озера. В поднятом с глубины керне было обнаружено немного бактерий (2–3 клетки на миллилитр), но они вполне могут быть результатом поверхностного загрязнения образца при транспортировке или в лаборатории. Потому говорить об обитаемости Востока или его стерильности слишком рано. Это еще предстоит выяснить в результате подробных исследований поднятых образцов.

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ДЕМОГРАФИЯ

*********************************************************************************************

Ученые из некоммерческой организации «Бюро по вопросам населения» (Вашингтон, Округ Колумбия), задались целью посчитать количество людей, которые жили на нашей планете за всю историю.

Демографы организации представили, по их словам, «полунаучный» метод подсчета. Результаты исследования приблизительны по банальной причине «полного отсутствия демографических данных за период, составляющий 99 % времени существования человека».

Для подсчета исследователям потребовалось принять во внимание, сколько времени люди живут на Земле, а также определить средний размер населения планеты в различные времена. Хотя точных данных о том, когда появился первый Homo Sapiens, нет, за отправную точку был взят приблизительно 50000 год до н. э., как принято у специалистов ООН.

Затем, основываясь на показателях рождаемости и ожидаемой продолжительности жизни в разные периоды времени, было приблизительно подсчитано, сколько людей проживало на планете в тот или иной момент. При определении учитывался постоянный уровень прироста населения, что полностью исключает влияние таких факторов, как голод, климатические изменения и т. д.

Так, специалисты считают, что в 5000 г. до н. э. на Земле жили 5 миллионов человек, в 1 г. н. э. – 300 миллионов, при этом количество рождений составляло 80 на 1000 человек. С этого времени показатель рождаемости начал падать, но население росло благодаря увеличению продолжительности жизни. В 1650 году количество людей достигло 0,5 миллиарда, а через 200 лет составляло уже 1,265 миллиарда. В начале 20 века население планеты составило 1,656 миллиарда, в 1950 – 2,516 миллиарда, в 1995 – 5,76 миллиарда, и вот недавно был рожден 7-миллардный житель.

Любопытно, что к 1 г. до н. э. на нашей планете родились и умерли почти 46 миллиардов человек, считают демографы организации. В целом же за всю историю человечества родились более 107 миллиардов представителей Homo Sapiens. Таким образом, сегодня на Земле живут 6,5 % всех рожденных в истории человечества людей.

Подготовил П. Костенко