Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

• Название: Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым
• Автор: Пол Фальковски
• Жанр: Образовательная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-02035-0

Всё в нашем мире зависит от бактерий. Долгое время – почти 4 миллиарда лет – Земля была в их полном распоряжении. Именно эти микроскопические двигатели жизни изменили химический состав нашей планеты и сделали мир пригодным для обитания растений, животных и людей.

Откуда взялись эти поразительные микроорганизмы? Как они устроены и какие тайны скрывают? Почему жизнь без них невозможна? И почему бактерии – социальные организмы?

Известный американский биолог-океанограф Пол Фальковски, член Американского геофизического союза, Американской академии наук и искусств, рассказывает, как и почему бактерии смогли пережить все катаклизмы и приспособиться к меняющейся среде, а также демонстрирует читателю, что всё наше существование стало возможным только благодаря их эволюции, и они – наши истинные предки и настоящие двигатели жизни на Земле.

---

Дарвин не принял во внимание время, потребовавшееся на формирование самого утеса, но это была незначительная деталь. Более того, он не стал рассматривать и породы, залегавшие ниже Вельда, наличие которых лишь делало утес еще более древним, а возможно, и бесконечно древним, по Лайелю. Дарвиновская оценка возраста утеса, конечно же, была смелым умозаключением и в отсутствие других ограничений, несомненно, основывалась на рациональной, физически проверяемой концепции. Вывод был очевиден: Земля невероятно стара – гораздо, гораздо старше, чем по расчетам Ашера, и гораздо старше, чем большинство людей в то время могли себе представить. И если время возникновения жизни на Земле оставалось не определенным (оно не определено и по сей день), тот факт, что под вышележащими слоями существовали породы, не содержащие органических останков, свидетельствовал о том, что оценка Дарвином возраста Земли была еще довольно скромной.

Тем не менее миллионы лет – не тот возраст, который указан в Библии, и он, разумеется, не соответствовал тому, чему тогда учили в школах. Конечно, Дарвин понимал, что его оценка будет встречена скептически, но он и предполагать не мог, во что это выльется. Помимо того что Дарвин вступил в противоречие с освященными библейским авторитетом вычислениями, сделанными в XVII веке архиепископом Армагским, предложенный им возраст Земли подвергся нападкам его собрата-ученого, «Эйнштейна» тех дней, физика Уильяма Томсона, позднее ставшего лордом Кельвином. Томсон задался целью исправить датировку, базируясь на основных принципах физики.

Томсон доказывал, что возраст Земли может быть вычислен с достаточной точностью, если предположить, что планета вначале представляла собой расплавленную массу и впоследствии остывала. Взяв в расчет данные изменения температуры по мере углубления в земную кору, а также результаты собственных экспериментов по определению теплопроводности горных пород, он вывел уравнение, показывающее, насколько быстро Земля могла остыть до ее современного состояния. В 1862 году Томсон объявил, что Земле около ста миллионов лет, хотя признал, что эта цифра весьма неопределенна и что возраст может составлять от двадцати до четырехсот миллионов лет. Со временем он становился все более бескомпромиссным, утверждая, что возраст Земли должен быть ближе к двадцати миллионам лет. Этот вычисленный им промежуток времени казался слишком коротким, чтобы вместить в себя эволюцию жизни, как видел ее Дарвин. Томсон стал одним из жесточайших критиков новаторских идей Дарвина касательно эволюции – не потому, что не верил в эволюцию как таковую, но, скорее, потому, что, будучи физиком, не доверял вычислениям возраста Земли, основанным на таких ненадежных геологических показателях, как скорость выветривания. В конечном счете возражения Томсона заставили геологов разработать более совершенные модели для определения возраста Земли, но на это потребовалось еще почти столетие.

Если Дарвин был хотя бы отдаленно прав, то развитие жизни на Земле заняло очень, очень долгое время – гораздо больше, чем кто-либо предполагал. Однако как происходило это развитие? В наброске на тридцать шестой странице своей записной книжки «B» от 1837 года Дарвин изобразил генеалогическое древо жизни, в котором выразил радикальную идею о том, что организмы связаны между собой общими предками и что это родство может прослеживаться благодаря сходным чертам в их внешнем виде. Эта основополагающая концепция была идентична взглядам Ламарка, которые тот развивал более чем за пятьдесят лет до этого; однако у Дарвина было иное представление о том, как происходил этот процесс.

Изменения форм живых организмов были почти незаметными, а также, если судить по толщине слоев, разделяющих органические останки в геологическом разрезе, по-видимому, происходили очень медленно. Кроме того, чтобы это предположение было допустимым, некоторые организмы, появляющиеся на более ранних участках разреза, должны были вымереть, чтобы быть замененными новыми видами, иначе Земля оказалась бы переполненной все возрастающим числом видов животных и растительных организмов. Другими словами, после того как организм вымирал, он уже не мог появиться в более поздних слоях геологического разреза.

Дарвин понимал, что эта выдающаяся, революционная идея вызовет критику – так оно и случилось. Ископаемые останки явно принадлежали некогда существовавшим животным и растениям, но в горных породах нигде не встречались кости человека. Дарвин ясно осознавал значение «недостающего» человеческого звена – подобно встречающимся в геологической летописи животным, мы также должны были возникнуть в результате некоего процесса, позволяющего одним организмам развиваться в другие на протяжении некоторого неопределенного, но достаточно долгого времени.

Концепция генов и основные положения физического наследования признаков в то время были абсолютно не известны ни Дарвину, ни кому-либо другому. (Грегор Мендель опубликует свою работу по наследованию признаков лишь более чем через шесть лет после выхода в свет первого издания «Происхождения видов» – в 1866 году.) На самом деле, несмотря на путаницу в большинстве трудов по биологии, Дарвин, скорее всего, без особых затруднений принял основную концепцию Ламарка, которая заключалась в том, что организмы могут наследовать признаки благодаря окружающей среде. Главным вкладом самого Дарвина была идея о том, что во всех видах имеются естественные отклонения, которые могут наследоваться. Этим правилом постоянно пользовались заводчики собак и голубей; однако Дарвин предположил, что в природе отбор признаков происходит под влиянием среды, в которой обитают виды.

Рис. 2. Репродукция наброска Дарвина в записной книжке «B» (между 1837 и 1838 годами). Основная идея заключается в том, что ныне живущие виды произошли от вымерших, но также связаны с другими сохранившимися видами, образуя генеалогическое древо жизни. Этот набросок стал ядром теории происхождения видов с последовательными изменениями, ведущими к естественному отбору – основному эволюционному процессу по Дарвину. (Публикуется с разрешения издательства Кембриджского университета, с благодарностью в адрес Питера и Розмари Грант. © 2008, Комитет по изданию записных книжек Чарльза Дарвина.)

Отбор либо улучшает способность организма к воспроизведению, либо нет. Если улучшает, то в таком случае признаки, наиболее подходящие для конкретной среды обитания, передаются последующим поколениям. Концепция происхождения видов с отклонениями, сопровождающимися последующим отбором, занимает шесть глав «Происхождения видов». Это была одна из наиболее выдающихся научных идей, когда-либо выдвигавшихся; до сегодняшнего дня она остается ядром, объединяющим принципом биологии.

Книга «Происхождение видов» была снабжена единственной иллюстрацией, размещенной в конце, на которой было изображено гипотетическое происхождение таксонов. Этот рисунок представлял собой вольную переработку наброска из записной книжки «B». Как ни странно, на иллюстрации был показан не единый источник для всех таксонов, но множество источников, дающих начало новым видам. Концепция происхождения – в смысле начала всего живого – была у Дарвина на уме, но не обсуждалась в книге открыто.

Более десяти лет спустя после выхода в свет «Происхождения видов» в письме Джозефу Хукеру, датированном 1871 годом, Дарвин размышлял о том, как могла зародиться жизнь: «…если… предположить, что в одном из небольших теплых водоемов из всех содержащихся в нем производных аммиака и солей фосфорной кислоты под влиянием света, тепла, электричества и так далее возникло белковое соединение, готовое к дальнейшим более сложным превращениям, то в наши дни оно было бы немедленно поглощено или уничтожено. Однако до того, как появились живые существа, этого произойти не могло».

Через восемьдесят лет после того, как было высказано это замечание, молодой химик Стенли Миллер и его научный руководитель нобелевский лауреат Гарольд Юри действительно сумели создать аминокислоты (строительные «кирпичики» белков) в лаборатории Чикагского университета. Они использовали газообразный аммиак, метан, водород, а также воду и электрический разряд, имитировавший удар молнии. Этот эксперимент, результаты которого были опубликованы в 1953 году, дал повод надеяться, что понимание того, как зародилась жизнь на Земле, уже не за горами. Тем не менее между созданием химических компонентов живых организмов и созданием самих этих организмов лежит целая пропасть. Даже в самых простых организмах химические составляющие представляют собой подобие микроскопических механизмов, запускающих метаболические процессы и позволяющих клеткам делиться. До сих пор еще никому не удалось воспроизвести живой организм с нуля, хотя это и не означает, что такое невозможно.